Математическое моделирование горения внутренних закрученных потоков и формирования огненных смерчей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

С%'

Руди Юрий Анатольевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ И ФОРМИРОВАНИЯ ОГНЕННЫХ СМЕРЧЕЙ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

П1«1111111Н1

□□3487834

Томск-2009

Работа выполнена на кафедре физической и вычислительной механики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский государственный университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Матвиенко Олег Викторович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Архипов Владимир Афанасьевич

доктор физико-математических наук, профессор Гусаченко Лев Константинович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск)

Защита состоится 29.12.2009 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.267.13 при Томском государственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 34а.

Автореферат разослан 27.11.2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н.

Ю.Ф. Христенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Вихревые горелочньге устройства широко используются в современной технике. В камерах сгорания и промышленных горелках закрутка потока создается для стабилизации пламени и увеличения скорости смешения компонент топлива. При массовых лесных [1] и городских [2] пожарах возможно возникновение огненных смерчей, разрушительное действие которых может быть катастрофическим.

Разработке практических рекомендаций по оптимизации работы горелочных устройств и предсказанию условий возникновения и существования огненных смерчей должно предшествовать обстоятельное теоретическое исследование структуры течения, тепломассообмена, химического реагирования и горения в закрученных потоках. Поэтому неслучайно, что изучению закрученных потоков уделяется значительное внимание большого числа исследователей. Вопросам приближенного расчета закрученных турбулентных течений посвящены работы М.А. Гольдштика [3], Б.П. Устименко [4], и Г.Н. Абрамовича [5]. Большой цикл экспериментальных исследований структуры течения и теплообмена в потоках с закруткой выполнен Тереховым В. И. [6] BJC. Щукиным и A.A. Халатовым [7].

Прогресс в моделировании реагирующих систем и горения связан с работами Я.Б. Зельдовича [8], Д.Б. Сполдинга [9], JI.K. Гусаченко [10]. В исследованиях В.А. Архипова [11], A.M. Гришина [12] с соавторами рассматриваются вопросы моделирования химического реагирования и структуры течения в многокомпонентных реагирующих потоках.

В многочисленных работах Д. Лилли с соавторами приводятся данные по исследованию течения и горения в потоках с закруткой. В наиболее концентрированном виде они нашли отражние в монографии "Закрученные потоки" [13]. В этой монографии приведены результаты экспериментальных исследований течений с закруткой, большое внимание также уделяется вопросам организации процесса горения в различных горелочных устройствах.

Исследованиями атмосферных смерчей типа торнадо занимаются давно, как в нашей стране, так и за рубежом [14]. В последнее время опубликован цикл статей группы авторов под руководством A.M. Гришина [15-18], посвященных физическому моделированию не только тепловых, но и огненных смерчей.

Однако, несмотря на значительный объем исследований закрученных потоков, имеющиеся в настоящее время данные о совместном влиянии закрутки,

3

турбулентности, тепломассообмена и химического реагирования на структуру течения в технологических устройствах и огненных смерчах весьма разноречивы. Кроме закрутки имеется еще ряд факторов, которые осложняют рассмотрение течения: турбулентность, тепломассообмен, химическое реагирование и горение.

Поэтому комплексное рассмотрение влияния гидродинамических, тепловых и химических факторов на процессы переноса и горения в турбулентных закрученных потоках представляет достаточно сложную и, в связи с практическими потребностями, актуальную задачу.

Целью настоящей работы является:

• исследование механизма воспламенения и определение условий срыва пламени в потоках закруткой;

• исследование режимов горения закрученного потока в канале для различных геометрических и режимных параметров;

• исследование структуры течения и теплообмена в тепловом смерче;

• исследование горения газа в свободной закрученной струе и условий существования огненного смерча;

• выяснение влияния локальной завихренности окружающей среды на структуру течения и горение в огненном смерче.

Научная новизна. В результате проведённых исследований

• впервые исследованы условия срыва пламени в потоках с умеренной закруткой потока; предложена методика определения условий устойчивого горения;

• впервые проведен учет влияния турбулентных пульсаций температуры и концентрации реагента на скорость химического реагирования и горения в закрученном потоке;

• впервые на основе осредненных уравнений Рейнольдса и переноса энергии исследовано формирование теплового смерча; предложена формула для определения высоты теплового смерча;

• впервые проведено исследование влияния локальной завихренности окружающей среды на структуру течения и горение в огненном смерче.

Научная и практическая ценность. Результаты работы могут применяться для качественного и количественного анализа процессов в горелочных устройствах, тепловых и огненных смерчах. В ходе выполнения работы

• созданы компьютерные программы для расчёта аэродинамики и горения в вихревых горелочных устройствах;

• предложена методика определения условий устойчивого горения в потоках с умеренной закруткой потока;

• исследованы режимы горения закрученного потока в канале для различных геометрических и режимных параметров;

• проведено исследование структуры теплового смерча;

• изучено влияние внешней завихренности на формирование огненного смерча.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами тестирования численной процедуры на известных точных решениях, сравнением с известными результатами других авторов, как численными, так и экспериментальными.

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель, учитывающая влияние турбулентных пульсаций на процесс химического реагирования, находится в наилучшем количественном и качественном соответствии с данными эксперимента.

2. В зависимости от интенсивности закрутки и теплоэнергетических параметров воспламенение потока может осуществляться за счет: самовоспламенения потока вследствие протекания в нем химической реакции; зажигания потока продуктами сгорания из рециркуляционной зоны.

3. Формирование тепловых и огненных смерчей можно объяснить возникновением локального равновесия в свободно-вынужденном вихре и анизотропией турбулентности.

4. Наличие локальной циркуляции окружающей среды приводит по сравнению со случаем невозмущенной атмосферы к вытягиванию факела в осевом направлении и сужению в радиальном.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях, научных конгрессах, школах-семинарах: «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение и экологические последствия», 5-11 сентября 2005 г., Иркутск; Международная конференция «Пятые Окуневские чтения», 26-30 июня 2006 г., Санкт-Петербург; «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии», 25-28 июня 2007 г., Томск; VI «Минский международный форум по тепло- и массообмену», 19-23 мая 2008 г., Минск; «Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф», 30 июня - 4 июля 2008 г., Томск; «Всероссийская конференция по математике и механике, посвященная 130-летию Томского государственного университета и 60-летию механико-математического

факультета», 22-25 сентября 2008 г., Томск; «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии», 18-20 февраля 2009 г. Томск; семинары механико-математического факультета Томского Государственного Университета и Университета Корсики (Франция).

Публикации. Материалы диссертационного исследования изложены в 13 публикациях. Работа была поддержана грантом РФФИ № 08-01-00496-а.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы из 117 наименований. Работа содержит 164 страницы, 42 рисунка, 6 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость работы, дана общая характеристика решаемой задачи, сформулирована цель исследования.

В первой главе представлен обзор литературы, посвященной исследованию закрученных потоков, моделированию турбулентности, процессов теплообмена и горения.

Во второй главе рассмотрены особенности горения в турбулентных внутренних закрученных потоках.

В первом параграфе второй главы сформулирована математическая модель. Система уравнений для определения локальных характеристик потока, записанная относительно осредненных по времени переменных имеет вид:

до и 1 друг „ + —-— = 0, дх г дг

дри2 дх

1 дртг + г дг

др д -— + —

дх дх

Г : Н2аП

2 (си

З^йх г дг

+ 1АГ

г дг |_^сЕГ дх

0)

(2)

Эр ну + 1 другг дх г дг

др д -—+—

дг дх

ду ди

1 д

+——

г дг

Ней-

ду 2(ди | 1 дуг дг З^дх г дг

V ри> +-

Эргм 1 дртгг _ д дх г дг дх

Эн> 1 д

+ г2 дг

Не*1"

К-

рууу г

(4)

Характеристики турбулентности рассчитывались на основе двупараметрической модели с использованием балансных уравнений для кинетической энергии турбулентности к и скорости ее диссипации е:

- + —

дх г дг

- + —

дх г дг

д 1 д /"е(Г г М

дх ак дх г дг . ак &

д ft.fr & 1 д

дх + гдг а£ дг

Г = »

+ ре,

1Н!Н;

(5)

(6)

Для описания процесса горения использовались уравнения теплопроводности и диффузии реагентов с учетом протекания в потоке химической реакции.

т дх

д \ дТ 1 д Г, дтл

дх дх. +-- гдг К«ГТг

дриМа + 1 др\'гМп _ 0 дх г дг дх

дМ.

дриМ0Х + \дрчгМ0.

дх

дг

дх

дх . дМ.

дриМт | 1 др\гМт = д дх г дг дх

РАгг Р^ссе

1 д

+--

гдг

дх дМ-„

Р =

КГ

\Уп 1Г„

дх -1

1 д

+--

гдг

1д_ г дг

П дма

дм,

рОс{гг

дг дМ,„

!Га

•——I

"ох -ф

дг

(7)

(8) (9)

(10)

(И)

"ох "рг

Для замыкания системы уравнений (1) - (11) формулируются необходимые

граничные условия.

Во втором параграфе проводится анализ условий стабилизации пламени в

канале при умеренной закрутке потока и малых числах Рейнольдса.

Исследование горения в потоках с закруткой показывает, что пламя,

распространяющееся в потоке, не только влияет на аэродинамическую структуру

7

течения, но также может изменять свою структуру в аэродинамически неоднородном поле скоростей. Влияние течения с градиентами скоростей на структуру пламени сводится к появлению дополнительного тепло - массоотвода вдоль фронта. В результате пламя растягивается в продольном направлении, зона прогрева сужается, а тепловые и диффузионные потоки возрастают. В случае отсутствия закрутки потока, а также для малых <р < 40° горение осуществляется в индукционном режиме, при этом длина предпламенной зоны х» слабо изменяется с закруткой. Формирование удерживающей зоны в окрестности оси при 50°<ф<53° приводит к искривлению пламени и резкому смещению зоны горения к входному сечению. Заметим, что этот режим реализуется в узком диапазоне изменения <р. При (р>53° искривление пламени превышает максимально допустимую величину, обеспечивающую стабилизацию горения, происходит срыв пламени и горение вновь происходит в режиме отрыва. С формированием зоны возвратных течений при ср>55° длина предпламенной зоны вновь уменьшается. И при достаточно сильной закрутке (ф>60°) рециркуляция становится столь значительной, что рециркулирующая в зоне возвратных течений горючая смесь успевает не только разогреться до температуры горения, но и воспламенить поступающую в канал непрореагировавшую холодную смесь. Пламя вновь резко смещается к входу в канал и стабилизируется в окрестности передней кромки рециркуляционной зоны, где скорость течения становится равной по абсолютной величине нормальной скорости распространения пламени. Заметим также, что при <р > 70° размеры рециркуляционной зоны становятся достаточно велики, чтобы обеспечить единственный устойчивый режим горения с малой длиной предпламенной зоны.

Проведенный теоретический анализ приводит к следующему результату: срыв пламени происходит при невыполнении условия:

^:2+(ди/дгУт.-^т.2/Е-тт< к ^ и(*,г;Ф) Т.-Тт 5„ '

-1

- характерное время химической реакции.

В третьем параграфе анализируется влияние модели турбулентности на положение зоны горения в закрученном потоке.

где /, =

д/сррк0(Тт1)

Выполнен расчет и проведено сравнение результатов, полученных с использованием модели объемного горения (модель 1): Е

Ф = коР МтМпехр| -

ЯТ

(13)

модели, учитывающей влияние турбулентных пульсаций на процесс химического реагирования (модель 2):

Ф=Ф(МЯ,:Г)+-

д2Ф д2Ф

8Г

дМ£

д2Ф 8Ма8Т

<с'Г>

(14)

модели горения, регулируемого турбулентным перемешиванием (модель 3) Е

Ф =

к0рс ■ ехр|

ЯТ

£>а<1

- СЕрл/< с'с'>—, Да > 1 к

(15)

Сравнение результатов расчетов показывает (рисунок 1), что в отсутствие закрутки потока, а также в случае слабой закрутки <р>20°, влияние учета пульсаций на положение фронта пламени мало. Однако уже при умеренной закрутке (20°<<р<55°) рост турбулентных напряжений в ядре потока и связанное с ним увеличение значений турбулентной кинетической энергии к приводят к интенсивному увеличению здесь пульсаций.

О 20 43 60 80

Рисунок 1 - Изменение длины предпламенной зоны с закруткой. 1 - упрощенная модель, 2 - модель с пульсациями, 3 - модель горения, регулируемого турбулентным перемешиванием, 4 - эксперимент [19]

В результате этого происходит более интенсивный обмен свежей смеси с турбулентными молями горячих продуктов сгорания, вносимыми сюда турбулентными пульсациями. Это в свою очередь приводит к повышению здесь температуры и, следовательно, к увеличению нормальной скорости распространения пламени. Последнее способствует тому, что пламя стабилизируется на длинах меньших, чем в отсутствие пульсаций. Наиболее заметно это при углах закрутки 20°<<р<55°. В случае более сильной закрутки Ф>55° механизм воспламенения в потоке определяется поджигающим воздействием рециркулирующих в зоне возвратных течений горячих продуктов сгорания, и роль пульсаций становится не столь значительной.

Отметим также, что данные модели 3 находятся в наилучшем соответствии с данными эксперимента и эта модель дает более адекватные результаты.

В четвертом параграфе проведено математическое исследование самовоспламенения и зажигания потока закрученного газа в цилиндрическом канале.

В отсутствии закрутки профиль осевой скорости является достаточно однородным за исключением достаточно близкой области, примыкающей к стенке (рисунок 2). Как следствие этого, фронт пламени представляет собой плоскость, перпендикулярную оси канала.

Рисунок 2 - Фронт пламени иеп, = 20 м/с, Тш = 405 К, Т№ = 300 К. а: - <р = 0°; б: - ф = 42°; в: - ф = 43°.

В случае слабой закрутки потока наблюдается незначительная неоднородность профиля осевой скорости, при этом время пребывания частиц горючей смеси, находящихся в приосевой зоне в слабозакрученном потоке увеличивается по сравнению с течением незакрученного газа. В результате этого, воспламенение наблюдается на меньших длинах, однако фронт пламени по-прежнему остаётся плоским.

В потоках с умеренной закруткой (61°<<р<63°) скорость в приосевой зоне становится значительно меньше, чем в периферийной. В результате этого создаются благоприятные условия для самовоспламенения потока на оси канала. Этим и объясняется положение зоны горения, показанное на рисунках <р=62° (рисунок 3). В сильнозакрученном потоке (ср>63°) роль приосевой зоны становится определяющей, фронт пламени характеризуется меньшей искривлённостью и локализуется практически на входе в канал. Горение стабилизируется передачей тепла холодным свежим порциям смеси от уже сгоревших объемов газа в циркуляционной зоне.

О 0.1 0.2 аз 0.4 0.5 0.е 0.7 0.8 09

Рисунок 3 - Фронт пламени иет = 20 м/с, Геп, = 405 К, Т№ = 300 К. а: - ф = 62°; б: ф = 64°; в: - <р = 65°

При низкой температуре стенки Т„=300К положение фронта пламени обуславливается процессом самовоспламенения вследствие протекания в потоке экзотермической химической реакции. При высокой температуре стенки протекание химической реакции в пристеночной зоне становится более интенсивным и как следствие в этом случае наблюдается сначала воспламенение периферийных слоев газа и только затем приосевых. В этом случае можно говорить о режиме зажигания. В потоке формируется искривленный фронт пламени, кривизна которого определяется главным образом среднерасходной скоростью течения.

Наиболее отчетливо режим зажигания наблюдается в незакрученных потоках. С увеличением интенсивности закрутки возрастает роль саморазогрева потока в приосевой области. При ф>63° горение в потоке стабилизируется центральной зоной возвратных течений (рисунок 4).

Рисунок 4 - Фронт пламени иеЛ = 20 м/с, Гет = 405 К, = 600 К. а: - <р = 0°; б: - ф = 20°; в: - ф = 61°; г: - ф= 62°; д: - <р= 63°; е: - ф = 64°; ж: - ф = 65°.

Пятый параграф посвящен расчету аэродинамики и горения в прямоточной камере сгорания с переменным сечением. Результаты расчетов в камерах сгорания переменного сечения показывают, что в незакрученных и слабозакрученных потоках горение стабилизируется угловой зоной возвратных течений, а при умеренной закрутке потока наблюдается срыв пламени. В случае сильной закрутки потока горение стабилизируется горячими продуктами горения в центральной зоне возвратных течений.

С уменьшением угла наклона стенки происходит исчезновение угловой рециркуляционной зоны. При этом в незакрученных и слабозакрученных потоках горение осуществляется в индукционном режиме с плоским фронтом пламени. В сильнозакрученных потоках горение стабилизируется центральной зоной возвратных течений.

В третьей главе рассматривается математическое моделирование формирования тепловых и огненных смерчей.

В первом параграфе третей главы дана математическая модель структуры течения и теплообмена в тепловом и огненном смерче. Для расчета характеристик движения и теплообмена в тепловом и огненном смерче использовались уравнения Рейнольдса. Характеристики турбулентности

рассчитывались на основе к-г модели с учетом действия сил плавучести, малости чисел Рейнольдса [20], а также анизотропии турбулентных пульсаций [21] и влияния закрутки на устойчивость турбулентного течения [22].

Во втором параграфе приводятся результаты численного моделирования тепловых смерчей, возникающих в результате вращения нагретого диска в первоначально неподвижной среде. Диаметр диска варьировался в диапазоне Б = 0.1 -г 0.4 м. Температура диска и температура окружающей среды полагались соответственно Г. =400-ИОООАТ и Те~300К.

Вблизи поверхности диска возникает ламинарное течение в температурном пограничном слое, которое на основном участке течения переходит в турбулентное. При этом надо отметить, что на периферии потока может существовать ламинарное течение. На инерционном участке, характеризуемом затуханием скорости подъема, интенсивность турбулентных пульсаций уменьшается и здесь происходит реламинаризация.

На рисунке 5 дается сравнение чисел Нуссельта А'и = аП/Хй, рассчитанных на основе принятой здесь модели турбулентности и экспериментальных данных [23], характеризующих теплоотдачу с вращающегося диска.

Ми

Рисунок 5 - Изменение интенсивности теплоотдачи от вращающегося диска: 1 - эксперимент [23], 2 - расчет.

Как видно из рисунка, с увеличением угловой скорости вращения диска происходит увеличение коэффициента теплоотдачи, характеризуемого параметром N11. При этом, переход к турбулентному режиму теплообмена сопровождается резким увеличением теплосъема с поверхности диска.

Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с экспериментальными значениями во всем исследованном диапазоне закруток.

Расчеты показали, что существование теплового смерча ограничено в узком интервале угловой скорости вращения диска 1<(0<1.5 с"'. Увеличение скорости вращения диска до ш = 1.5 с' приводит к интенсификации теплообмена воздуха с нагревателем (вследствие турбулизации потока вблизи диска) и ухудшением теплообмена с окружающим воздухом (вследствие реламинаризации на основном участке течения). Ослабление теплообмена с окружающим воздухом приводит к росту силы Архимеда, а, следовательно, и к ускорению потока. Воздушные массы в виде цилиндрического ламинаризированного столба поднимаются на большую высоту, сохраняя свою индивидуальность (рисунок 6 а-д). Подобный тип течения можно рассматривать как возникновения теплового смерча (рисунок 6 д). При ю >1.5 с"1 под действием центробежных сил происходит развал потока, и высота закрученной конвективной колонки значительно уменьшается (рисунок 6 е).

2 2 2 2 2

г.» Г, м 2.И г,м г, м г, м

N \ \

1 1 1 А \ 1 \ I м \ \\ ; 1

\\ ; л

V "400: , ! г ы Ш, М 00 • Толп]': ЗИП; г, м N100 : 300:1' I Г.м Ь 300* ЪЯЯ^Г Г, м <200 300. г, м -2001 т

0,00 0,25 0,50 0.Х 0,25 0,50 0.00 0.25 0.5С 0.00 0.25 0.50 0.00 0,25 0,50 о,00 0,25 0,50

а б в г Д е

Рисунок 6 - Распределение изотерм в потоке (минимальная изотерма соответствует температуре 50°С, шаг между изолиниями - 20°С): а - со = 0, б- (0 = 0.15 с"1,в- со = 0.5 с'1,г ш = 1 с"\д- © = 1.5 с"',е- и = 2 с'1.

В третьем параграфе проведено экспериментальное исследование теплового смерча и предложена формула для определения его высоты.

Моделирование тепловых смерчей осуществлялось в лабораторных условиях с помощью экспериментальной установки, основанной на закрутке восходящего конвективного потока вращением нижнего основания.

В предположении, что тепловая энергия, сообщаемая смерчу, полностью переходит в потенциальную энергию, для определения высоты теплового смерча получена следующая формула:

''Ч

( Айе0)В> р£>2

п

К-71

/(Яеа)=0.06-ехр(-0.002Яе^).

(16)

На рисунке 7 представлено сравнение результатов расчета высоты теплового смерча, согласно, формуле (16) и экспериментальных данных. Видно, что предложенная зависимость качественно согласуется с данными лабораторных исследований. При этом в диапазоне закруток 0)=(1.3 - 1.8) с"1, то есть в области устойчивого существования теплового смерча, экспериментальные и расчетные данные находятся в хорошем количественном соответствии.

3.0 м 1/с

Рисунок 7 - Изменение высоты теплового смерча с закруткой. Сравнение экспериментальных и расчетных данных.

Надо отметить, что при более сильной закрутке, предложенная формула дает несколько завышенную высоту теплого смерча, что объясняется неучетом дополнительных тепловых потерь, происходящих при распаде сильнозакрученной турбулентной струи.

В четвертом параграфе приведены результаты математического моделирования огненных смерчей, возникающих в результате вдува закрученного потока горючего газа (монооксида углерода) в первоначально

неподвижную среду (воздух). Начальный диаметр струи й варьировался в диапазоне от 0.1 до 0.4 м, скорость истечения газа в неподвижную среду и интенсивность турбулентности полагались равными кет,=3м/с, Ти=0.03, Температуры струи на входе и температура окружающей среды полагались соответственно Тт( =900 К, Те =300 К.

В результате вдува монооксида углерода формируется неизотермическая турбулентная струя. При этом ее распространение характеризуется не только нарастанием толщины слоя смешения, но и формированием неравномерного профиля осевой скорости. Таким образом, существует область, в которой скорость газа не превосходит нормальную скорость распространения пламени. Обычно эта область называется поджигающим кольцом и играет важную роль в стабилизации пламени. При этом от воспламенившихся периферийных слоев за счет турбулентной теплопроводности теплота передается внутренним слоям, вызывая их воспламенение, и одновременно сносится по потоку, формируя в отсутствие закрутки факел конусообразной формы (рисунок 8 а).

-0.40 -о го 0 00 0.20 0.40 Радиальная координата г, м

-0.40 -0.20 0.00 020 0.40 Радиальная координата т, м

-0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 Радиальная коощината г, м

Рисунок 8 - Распределение изотерм в потоке с горением (минимальная изотерма соответствует температуре 1200 К, шаг между изолиниями - 100 К): а - Яо=0, б - Яо=0.5, в - Яо=0.8.

С появлением закрутки происходит изменение структуры пламени. При этом в случае слабой первоначальной закрутки потока (Яо = ш<1/(2«я„)<0.3) фронт

пламени по-прежнему является конусообразным, что связано с относительной однородностью профиля осевой скорости. В потоках с умеренной интенсивностью закрутки (0.3<Яо<0.6) наблюдается реламинаризация, что препятствует смешению топлива, содержащегося в закрученной струе, и кислорода в окружающем струю воздухе. Кроме того, закрутка потока приводит к значительному изменению профиля осевой составляющей скорости, которая в ядре потока становится сравнимой со скоростью распространения пламени в то время как на периферии намного превышает ее. В результате этого происходит искривление фронта пламени, поверхность которого принимает колоннообразный вид, что позволяет определить такой режим горения, как огненный смерч (рисунок 8 б). В случае сильной закрутки потока, когда режим горения определяется поджигающим воздействием горячих продуктов сгорания в рециркуляционной зоне, формируется очень короткий факел с большой интенсивностью горения (рисунок 8 в). Отметим, что полученные результаты находятся в хорошем качественном соответствии с экспериментальными данными [15,16].

В пятом параграфе рассмотрено влияние локальной турбулентности окружающей среды на условия возникновения огненного смерча. Характеристики турбулентности расчитывались на основе трехпараметрической модели с использованием уравнений для кинетической энергии турбулентности к, скорости ее диссипации е и удельного турбулентного напряжения х = Уравнение для расчета х записывалось в виде:

фит 1 dpvn д дх г дг дх

дг' 1 д дх'

+-- гдг

„ _ . е 1 dvr + Gvw-C3vwPT| J +

(17)

-c

2vw

8r { r

'dvz t 5уЛдуф t dvr gvp УГУ Br 8z J дх дг дг г2

Как видно из рисунка 9а в невозмущенной атмосфере (сае=0, те = 0) наличие турбулентных касательных напряжений при jc = 0 вызывает слабое закручивание струи. Основное вращение локализуется в узкой области вблизи оси течения. По мере подъема струи закрутка вследствие вязкой диссипации вырождается. При наличии локальной циркуляции (<ве * 0) вырождение закрутки потока происходит на больших высотах (рисунок 9 б). Область вращающегося газа при этом вытягивается в вертикальном направлении и уменьшается в радиальном.

а б в г

Рисунок 9 - Изолинии тангенциальной скорости, а: - = 1 м/с, ше = 0, те = 0; б:~ УАет,=1 м/с, сое =0.1 рад/с, те = 0;в:- = 1 м/с, <ве=0 рад/с, те=0.4 Па; г: - Уг_еМ = 1 м/с, <эе =0.1 рад/с, те =0.4 Па.

Наличие турбулентных касательных напряжений в окружающей среде изменяет картину закручивания потока. Наряду с интенсивным вращением в приосевой области течения, формируется область вращательного движения газа на границе истекающей в атмосферу струи и окружающего пространства (рисунок 9 в). Таким образом, картина течения в этом случае является аналогичной течению двух коаксильных струй закрученных с разной интенсивностью. Совместное воздействие внешней локальной циркуляции и пульсаций компонент скорости в направлениях перпендикулярных оси струи в случае их однонаправленного воздействия интенсифицирует циркуляцию в струе и увеличивает область закрученного движения газа как в осевом, так и в радиальном направлении (рисунок 9 г).

Полученные результаты качественно совпадают с экспериментальными данными. Результаты расчетов показывают, что наличие локальной циркуляции окружающей среды (а>е ^ 0) приводит по сравнению со случаем невозмущенной атмосферы (рисунок 10 а, б) к вытягиванию пламени в осевом направлении и сужению в радиальном. Турбулизация окружающей среды (те * 0) приводит к улучшению смешения содержащегося в струе монооксида углерода и атмосферного кислорода. Толщина слоя смешения увеличивается, и, как

следствие этого, увеличивается радиальная координата зоны горения (рисунок 10 в). Отметим, что при этом изменение высоты пламени незначительно.

Рммлмч« сдедоиаг* г.« »ем»»»* г, « Радмпмим »нардммт» >. м Радмльиая амрдмт* г. и

а б в г

Рисунок 10 - Изотермы в потоке, а: - уАеп( = 1 м/с, юе = 0, те = 0; б: - = 1 м/с, а)е =0.1 рад/с, те =0; в:- = 1 м/с, ©е =0 рад/с, те =0.4 Па; г: - уг_еп1 = 1 м/с, ое = 0.1 рад/с, те = 0.4 Па

Проведенные исследования показывают, что существует достаточно узкий интервал параметров (скорость подъема струи, мощность теплового источника, интенсивность локальной циркуляции внешнего потока и распределение турбулентных характеристик в струе и вне ее) при которых интенсивность вращения в потоке значительно возрастает и, как следствие этого, формируется новый тип осредненного течения - огненный смерч, представляющий собой длинный узкий столб вращающегося газа (рисунок 10 г).

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационного исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследован переход от режима отрыва пламени в режим горения с увеличением интенсивности закрутки. Определены значения теплофизических и кинетических параметров, при которых воспламенение потока может осуществляться за счет: самовоспламенения вследствие

протекания в нем химической реакции; зажигания от стенок; зажигания продуктами сгорания из рециркуляционной зоны.

2. Проведено сравнение результатов, полученных с использованием модели объемного горения, модели, учитывающей влияние турбулентных пульсаций на процесс химического реагирования и модели горения, регулируемого турбулентным перемешиванием. Показано, что данные модели горения, регулируемого турбулентным перемешиванием, находятся в наилучшем соответствии с данными эксперимента.

3. Исследована аэродинамика и горение в горелочных устройствах. Показано, что с помощью изменения конструктивных параметров и управления режимом течения (в первую очередь с помощью закрутки потока) можно достаточно эффективно влиять на размеры и форму пламени.

4. Формирование теплового смерча происходит в результате реламинаризации потока при умеренной закрутке.

5. Формирование огненного смерча можно объяснить возникновением локального равновесия в свободно-вынужденном вихре и анизотропией турбулентности, приводящей к ослаблению турбулентного перемешивания горючего и окислителя, и удлинению зоны горения.

6. Наличие локальной циркуляции окружающей среды приводит по сравнению со случаем невозмущенной атмосферы к вытягиванию факела в осевом направлении и сужению в радиальном.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гришин A.M. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними / А. М. Гришин. - Новосибирск: Наука, J 992. - 408 с.

2. Кэрьер Г. Огненные смерчи / Г. Кэрьер, Ф. Фендел, П. Фелдман И Теплопередача. -1985. - Т. 107, № 1. - С. 16-25.

3. Гольдштик М. А. Вихревые потоки / М. А. Гольдиггак. - Новосибирск : Наука, 1981.-366 с.

4. Устименко Б. П. Процессы турбулентного переноса во вращающихся течениях / Б. П. Устименко. - Алма-Ата: Наука, 1977. - 228 с.

5. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй / Г. Н. Абрамович. - М.: Наука, 1984.-716 с.

6. Кутателадзе С. С. Аэродинамика и тепломассообмен в ограниченных вихревых потоках / С. С. Кутателадзе, Э. П. Волчков, В. И. Терехов. -Новосибирск, 1987. - 287 с.

7. Щукин В. К. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметрнчных каналах / В. К. Щукин, А. А. Халатов. - М.: Машиностроение, 1982.-200 с.

8. Математическая теория горения и взрыва / Я. Б. Зельдович [и др.]. - М.: Наука, 1980.-478 с.

9. Численные методы исследования течений вязкой жидкости / А. Д. Госмен [и др.]. - М.: Мир, 1972. - 366 с.

10. Теория горения и взрыва : учебное пособие / Л. К. Гусаченко [и др.]. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. -120 с.

11. Архипов В. А. Характеристики факела распыла центробежной форсунки в нестандартных условиях / В. А. Архипов, В. Ф. Трофимов // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. - 2003. - № 2. - С. 70-72.

12. Алексеев Б. В. Физическая газодинамика реагирующих сред / Б. В. Алексеев, А. М. Гришин. - М.: Высшая школа, 1985. - 464 с.

13. Гупта А. Закрученные потоки / А. Гупта, Д. Лилли, Н. Сайред. - М.: Мир, 1987.-588 с.

14. Наливкин Д. В. Смерчи / Д. В. Наливкин. - М.: Наука, 1984. - 111 с.

15. Numerical studies experimental observation of whirling flames / A. Yu. Snegirev [et.al.] // Int. J. Heat and Mass Transfer. - 2004. - Vol. 47. - P. 2523-2539.

16. Гришин A. M. Физическое моделирование огненных смерчей / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, Я. В. Суков // Доклады РАН. - 2004. - Т. 395, № 2. - С. 196198.

17. Гришин A.M. Экспериментальное исследование теплового и огненного смерчей / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, А. А. Колесников, А. А. Строкатов, Р. Ш. Цвык И Доклады РАН. - 2005. - Т. 400, № 5. - С. 618-620.

18. Гришин А. М. Математическое моделирование огненных смерчей / А.М.Гришин, О.В.Матвиенко // V Минский международный форум по тепло- и массообмену: тез. докл. и сообщ. - Минск, 2004.

19. Syed S. A. Momentum and Heat Transfer Processes in Recirculating Flows / S. A. Syed, G. J. Sturgess // ASME HTD. - 1980. - Vol. 13.

20. Leschziner M. A. Computation of strongly swirling axisymmetric free jets / M. A. Leschziner, W. Rodi // AIAA Journal. - 1984. - Vol. 22, No. 11. - P. 370373.

21. Kobayashi T. Modified k-e model for turbulent swirling flow in a straight pipe / T. Kobayashi, M. Yoda // JSME Int. J. - 1987. - Vol. 30. - P. 66-71.

22. Piquet J. Turbulent Flows: Models and Physics / J Piquet. - Berlin : Springer, 1999.

23. Бубнов Б. M. Термическая структура и турбулизация торнадоподобных вихрей от локализованных источников тепла над вращающимся диском И Известия АН. Физика атмосферы и океана. - 1997. - Т. 33, № 4. — С. 434-442.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гришин AM. Математическое исследование влияния внешней циркуляции на структуру огненных смерчей / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди // Известия вузов. Физика. - 2009. - № 2/2. -С. 100-106.

2. Матвиенко О. В. Математическое исследование самовоспламенения потока закрученного газа в цилиндрическом канале / О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди // Известия вузов. Физика. - 2009. -№ 2/2. - С. 137-143.

3. Гришин А. М. Математическое моделирование формирование тепловых смерчей / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди // ИФЖ. - 2008. - Т. 81, № 5. - С. 860-867.

4. ГришинА. М. Математическое моделирование горения газа в закрученной струе и формирование огненного смерча / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди // ИФЖ. - 2009. - Т. 82, № 5. - С. 902-908.

5. Гришин А. М. Механизм формирования огненного смерча / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, А. А. Строкатов, Ю. А. Руди И Лесные и степные пожары : возникновение, распространение и экологические последствия : материалы 6-й международной конф. - Томск, 2005. - С. 37-38.

6. Гришин А. М. Об устойчивости теплового смерча / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, Ю. А. Руди // Пятые Окуневские чтения : тез. докл. международной конф. - СПб., 2006. - С. 59-60.

7. Гришин А. М. К механизму формирования и эволюции огненного смерча / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, Р. Ш. Цвык, А. А. Строкатов, Ю. А. Руди Н Пятые Окуневские чтения : тез. докл. международной конф. - СПб., 2006. -С. 61-62.

8. Строкатов А. А. Механизм формирования огненного смерча / А. А. Строкатов, Ю. А. Руди // Снежинск и наука - 2006. Трансфер технологии, инновации, современные проблемы атомной отрасли: сб. науч. тр. международной научно-практической конф. - Снежинск, 2006. - С. 196.

9. Гришин А. М. Численное исследование структуры течения и параметров турбулентности свободной осесимметричной струи / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди И Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии: материалы международной конф. - Томск, 2007.-С. 56.

10. ГришинА. М. Моделирование формирования тепловых смерчей / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди И VI Минский международный форум по тепло- и массообмену : тез. докл. и сообщ.: в 2 т. - Минск, 2008. -Т. 1.-С. 204-206.

11. Гришин А. М. Численное исследование турбулентного теплообмена в тепловых смерчах / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди И Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф: материалы 7-й международной конф. - Томск, 2008. - С. 40.

12. Матвиенко О. В. Численное исследование турбулентного теплообмена при течении закрученного потока в канале / О.В.Матвиенко, Ю. А. Руди // Всероссийская конф. по математике и механике, посвященная 130-летию Томского государственного университета и 60-летию механико-математического факультета: сб. тез. - Томск, 2008. - С. 200.

13. Гришин А. М. Численное исследование влияния внешней циркуляции на структуру огненных смерчей / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди И Сопряженные задачи механики сплошных сред, информатики и экологии : материалы 8-й всероссийской конф. с участием зарубежных ученых. - Томск, 2009.-С. 52-53.

Тираж 100 экз. Отпечатано в ООО «Позигив-НБ» 634050 г. Томск, пр. Ленина 34а

ВВЕДЕНИЕ.

1 РАСПРОСТРАНЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ПЛАМЕНИ В ТУРБУЛЕНТНОМ ГАЗОВОМ ПОТОКЕ.

1.1 Уравнения движения вязкого газа.

1.2 Моделирование турбулентного течения.

1.2.1 Методы расчета турбулентных течений.

1.2.2 Модель пути перемешивания Л. Прандтля.

1.2.3 Однопараметрические модели.

1.2.4 Двупараметрические модели.

1.3 Химическое реагирование и горение в потоке газа.

1.3.1 Химическая кинетика и химическое равновесие.

1.3.2 Ламинарное пламя в предварительно перемешанной смеси.

1.3.3 Турбулентное распространение пламени.

1.3.4 Модель объемного горения.

1.3.5 Модель ламинарного волнистого пламени.

1.3.6 Модель распада вихря.

1.3.7 Стабилизация пламени в газовом потоке.

1.3.8 Расчет горения в закрученных потоках.

1.4 Моделирование тепловых и огненных смерчей.

1.5 Численные методы решения уравнений Навье-Ctokcа.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ И ГОРЕНИЯ В КАНАЛАХ.

2.1 Физическая постановка и математическая модель.

2.2 Стабилизация пламени при умеренной закрутке потока и низких числах Рейнольдса.

2.3 Анализ влияния модели турбулентности на положение зоны горения.

2.3.1 Модель объемного горения.

2.3.2 Влияние турбулентных пульсаций на характеристики горения в потоках с закруткой.

2.3.3 Горение в закрученном потоке, регулируемое турбулентным перемешиванием.

2.3.4 Сравнение моделей.

2.4 Математическое исследование самовоспламенения и зажигания потока закрученного газа в цилиндрическом канале.

2.5 Расчет аэродинамики и горения в прямоточной камере сгорания с переменным сечением.

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ОГНЕННЫХ СМЕРЧЕЙ.

3.1 Математическое моделирование структуры течения и теплообмена в тепловом и огненном смерче.

3.2 Тепловой смерч.

3.3 Экспериментальное исследование теплового смерча.

3.4 Математическое моделирование горения газа в закрученной струе и формирования огненного смерча.

3.5 Математическое исследование условий возникновения огненных смерчей.

Задача обеспечения устойчивого сжигания газов в компактной зоне горения при наличии тепловых потерь на стенках требует не только уменьшения длины предпламенной зоны, но и создания условий, обеспечивающих саму возможность существования пламени. Для выполнения этих требований необходимо специальным образом воздействовать на процессы течения и теплообмена. Основные методы связаны с повышением начальной температуры смеси с целью увеличения нормальной скорости распространения пламени или же с такой организацией аэродинамики, чтобы в зоне течения возникли области, в которых скорость потока становилась равной скорости пламени. Последнее возможно осуществить как контактными методами, то есть введением в поток стабилизаторов горения в виде плохообтекаемого тела, так и путем воздействия на поток полем массовых сил, в частности центробежных, которые возникают в закрученных потоках.

В этой связи достаточно привлекательным выглядит использование в теплообменных и горелочных устройствах потоков с закруткой.

Об этом свидетельствует появление ряда монографий [1-6], а также обзорных работ [7-10], посвященных данному вопросу. В теплогенераторах, камерах сгорания и промышленных горелках создают закрутку для стабилизации пламени и увеличения скорости смешения продуктов. В теплообменниках закрученные потоки используются для увеличения интенсивности теплоотдачи. Кроме того, большие перспективы имеет использование закрутки для стабилизации электрической дуги в плазмотронах [11], в вихревых МГД-генераторах [12], химической и других отраслях промышленности.

Однако, в настоящее время возможности инженерных методов расчета и проектирования теплообменных и горелочных устройств, использующих принцип закрутки потока и обеспечивающих высокие технологические показатели и экологическую надежность, практически исчерпаны. И для решения этих задач необходимо привлекать методы, основанные на решении уравнений гидрогазодинамики, теории теплообмена и химической кинетики с привлечением результатов и выводов теоретических исследований.

Таким образом, разработке практических рекомендаций по оптимизации работы теплообменных и горелочных устройств должно предшествовать обстоятельное теоретическое исследование структуры течения тепломассообмена, химического реагирования и горения в закрученных потоках.

Сильное влияние закрутки на инертные и реагирующие течения известно достаточно давно. Закрученные течения являются результатом сообщения потоку вращательного движения с помощью закручивающих лопаток, при использовании генераторов закрутки или прямой закруткой путем тангенциальной подачи в канал. Экспериментальные исследования показывают, что закрутка потока оказывает крупномасштабное влияние на поле течения: расширение струи, процессы инжекции, процессы тепломассообмена и диффузии, размеры, форму и устойчивость пламени и интенсивность горения. Влияние слабой закрутки сводится к увеличению ширины свободной или ограниченной струи и уменьшению скорости в ядре потока. При более высокой интенсивности закрутки в потоке возникают большие градиенты давления в радиальном направлении, которые приводят к образованию осевой рециркуляционной зоны. В таких течениях обычно наблюдаются большие значения сдвиговых напряжений и интенсивности турбулентности, так что возникают крупномасштабные пульсации скорости, температуры, концентрации. Рециркуляционная зона играет также важную роль в стабилизации пламени, создавая поток горячих рециркулирующих продуктов сгорания и область пониженных скоростей, где скорость распространения пламени и скорость потока могут быть близкими друг другу. При этом длина пламени и расстояние от горелки, на котором происходит стабилизация пламени, значительно сокращаются.

Кроме закрутки имеется еще ряд факторов, которые осложняют рассмотрение течения: турбулентность, тепломассообмен, химическое реагирование и горение. Имеющиеся в настоящее время данные о совместном влиянии закрутки, турбулентности, тепломассообмена и химического реагирования на структуру течения весьма разноречивы. Существующие в настоящее время теории, не могут претендовать на полноту описания всего экспериментального материала. Поэтому комплексное рассмотрение влияния гидродинамических, тепловых и химических факторов на процессы переноса в турбулентных закрученных потоках представляет достаточно сложную и, в связи с практическими потребностями, актуальную задачу.

Огненные смерчи, как правило, возникают при массовых городских [13] или лесных пожарах [14]. В настоящее время в литературе почти нет экспериментальных данных о возникновении и развитии огненных смерчей в отличие от атмосферных смерчей типа торна. Лабораторными исследованиями смерчей-вихрей в газе и в жидкости занимаются давно, как в нашей стране, так и за рубежом.

В последнее время опубликован цикл статей группы авторов под руководством А.М.Гришина [15-17,18], посвященных физическому моделированию тепловых и огненных смерчей.

Только полная математическая модель явления, основанная на фундаментальных уравнениях аэротермохимии [19], даст возможность проанализировать взаимовлияние гидродинамического, химического и теплового факторов на течение, тепломассообмен и горение в закрученных потоках.

Целью настоящей работы является • исследование механизма воспламенения и определение условий срыва пламени в потоках закруткой;

• исследование режимов горения закрученного потока в канале для различных геометрических и режимных параметров;

• исследование структуры течения и теплообмена в тепловом смерче;

• исследование горения газа в свободной закрученной струе и условий существования огненного смерча;

• выяснение влияния локальной завихренности окружающей среды на структуру течения и горение в огненном смерче.

Методическая часть работы базируется на основополагающих физических идеях и математическом аппарате современной химической гидрогазодинамики, теплофизики и теории горения. При анализе всех рассматриваемых вопросов предпочтение отдается применению численных методов исследования. Стремление к численному решению задач обусловлено необходимостью учета множества важных нелинейных факторов и желанием иметь возможность прогнозирования поведения системы во всем объеме многомерного пространства параметров.

В результате выполненного исследования проанализированы основные закономерности стабилизации пламени в закрученных потоках и определен механизм влияния закрутки на химическое реагирование и сжигание газов.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами тестирования численной процедуры на известных точных решениях, сравнением с известными результатами других авторов, как численными, так и экспериментальными.

В первой главе представлен обзор литературы, посвященной исследованию закрученных потоков, моделированию турбулентности, процессов теплообмена и горения.

Вторая глава посвящена результатам численного исследования горения во внутренних турбулентных закрученных потоках.

В третьей главе исследуются условия формирования и существования тепловых и огненных смерчей

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационного исследования.

Положения, выносимые на защиту:

1 Модель, учитывающая влияние турбулентных пульсаций на процесс химического реагирования, находится в наилучшем количественном и качественном соответствии с данными эксперимента.

2 В зависимости от интенсивности закрутки и теплоэнергетических параметров воспламенение потока может осуществляться за счет: самовоспламенения потока вследствие протекания в нем химической реакции; зажигания потока продуктами сгорания из рециркуляционной зоны.

3 Формирование тепловых и огненных смерчей можно объяснить возникновением локального равновесия в свободно-вынужденном вихре и анизотропией турбулентности.

4 Наличие локальной циркуляции окружающей среды приводит по сравнению со случаем невозмущенной атмосферы к вытягиванию факела в осевом направлении и сужению в радиальном.

Результаты работы можно сформулировать в виде следующих выводов, устанавливающих основные закономерности влияния закрутки на структуру течения, химическое реагирование и горение.

1. Исследован переход от режима отрыва пламени в режим горения с увеличением интенсивности закрутки. Определены значения теплоэнергетических параметров, при которых воспламенение потока может осуществляться за счет: самовоспламенения вследствие протекания в нем химической реакции; зажигания от стенок; зажигания продуктами сгорания из рециркуляционной зоны.

2. Проведено сравнение результатов, полученных с использованием модели объемного горения, модели, учитывающей влияние турбулентных пульсаций на процесс химического реагирования и модели горения, регулируемого турбулентным перемешиванием. Показано, что данные модели горения, регулируемого турбулентным перемешиванием, находятся в наилучшем соответствии с данными эксперимента.

3. Исследована аэродинамика и горение в горелочных устройствах. Показано, что с помощью изменения конструктивных параметров и управления режимом течения (в первую очередь с помощью закрутки потока) можно достаточно эффективно влиять на размеры и форму пламени.

4. Формирование теплового смерча происходит в результате реламинаризации потока при умеренной закрутке.

5. Формирование огненного смерча можно объяснить возникновением локального равновесия в свободно-вынужденном вихре и анизотропией турбулентности, приводящей к ослаблению турбулентного перемешивания горючего и окислителя, и удлинению зоны горения.

6. Наличие локальной циркуляции окружающей среды приводит по сравнению со случаем невозмущенной атмосферы к вытягиванию факела в осевом направлении и сужению в радиальном.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В диссертации, написанной на основе работ [74-76, 81-83, 111-117], с единых методических позиций проведено комплексное исследование протекания сложных физико-химических прцессов в потоках с закруткой.

В результате проведенных исследований изучен механизм влияния закрутки на структуру течения, процесс турбулизации и реламинаризации, показано, что центробежные силы, возникающие в закрученных течениях существенно влияют на процессы перехода к турбулентности и распределение в потоке турбулентных характеристик.

Проанализированы основные закономерности стабилизации пламени в закрученных потоках и определен механизм влияния закрутки на химическое реагирование и сжигание газов.

Численно исследована структура течения и особенности горения в камерах сгорания различных практических устройств.

Впервые на основе осредненных уравнений Рейнольдса и переноса энергии исследовано формирование теплового смерча; предложена формула для определения высоты теплового смерча;

Впервые проведено исследование влияния локальной завихренности окружающей среды на структуру течения и горение в огненном смерче.

1. Щукин В. К. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах / В. К. Щукин, А. А. Халатов. - М. : Машиностроение, 1982. — 200 с.

2. Гупта А. Закрученные потоки / А. Гупта, Д. Лилли, Н. Сайред. М. : Мир, 1987.-588 с.

3. Устименко Б. П. Численное моделирование аэродинамики и горения в топочных и технологических устройствах / Б. П. Устименко, К. Б. Джакупов, В. О. Кроль. Алма-Ата : Наука, 1986.

4. Гольдштик М. А. Вихревые потоки / М. А. Гольдштик. Новосибирск : Наука, 1977.

5. Шиляев М. И. Гидродинамическая теория ротационных сепараторов / М. И. Шиляев. Томск : изд-во ТГУ, 1983.

6. Кутателадзе С. С., Аэродинамика и теплообмен в ограниченных вихревых потоках / С. С. Кутателадзе, Э. П. Волчков, В. И. Терехов. -Новосибирск : Наука, 1987.

7. Лилли Д. Расчет инертных закрученных потоков / Д. Лилли // Ракетная техника и Космонавтика. — 1973. Т. 11, № 7. - С. 75-82.

8. Лилли Д. Обзор работ по горению в закрученных потоках / Д. Лилли // Ракетная техника и Космонавтика. 1977. - Т. 15, № 8. - С. 8-2.

9. Isothermal swirling flow in a dump combustor / M Samimy et.al. // AIAA Pap.-1987.-No. 1352.

10. Samples J. W. Chemically reacting axisymmetric flowfield predictions / J. W. Samples, D. G. Lilley // AIAA Pap. 1984. - No. 364.

11. Лелевкин B.M., Семенов В.Ф. Аэродинамика закрученного потока газа в диафрагмированном канале плазмотрона // Теплофизика и аэромеханика. 2002. - Т. 9. - № 1. - С. 37-53.

12. Sen Nieh, Jian Zhang Simulation of the strongly Swirling Aerodynamic Field in a Vortex Combustor //Journal of Fluid Engineering, Vol. 114, No 9, pp. 367-374.

13. Кэрьер Огненные смерчи / Кэрьер, Фендел, Фелдман // Теплопередача. — 1985.-Т. 107, № 1.-С. 16-25.

14. Гришин А. М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними / А. М. Гришин. — Новосибирск : Наука, 1992.

15. Numerical studies experimental observation of whirling flames / A. Yu. Snegirev et.al. // International Journal Heat and Mass Transfer. -2004. Vol. 47. - P. 2523-2539.

16. Гришин A. M. Физическое моделирование огненных смерчей / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, Я. В. Суков // Доклады РАН. — 2004. — Т. 395, №2.-С. 196-198.

17. Гришин А. М. Экспериментальное исследование теплового и огненного смерчей / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, А. А. Колесников, А. А. Строкатов, Р. Ш. Цвык // Доклады РАН. 2005. - Т. 400, № 5. С. 618-620.

18. Гришин A.M. Математическое моделирование огненных смерчей /

19. A. М. Гришин, О. В. Матвиенко // V Минский международный форум по тепло- и массообмену : тез. докл. и сообщ. — Минск, 2004.

20. Numerical and experimental study of swirling flow in a model combustor / J. L. Xia et.al. // Int. J. Heat Mass Transfer. 1998. - Vol. 41, No. 11. - P. 1485-1497.

21. Волчков Э. П. Турбулентный тепломассообмен в начальном участке • трубы при закрутке потока / Э. П. Волчков, С. Ю. Спотарь,

22. B. И. Терехов // Тепломассообмен VI. Минск, 1980. - Т. 1, ч. 3. - С. 4859.

23. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах / М. X. Ибрагимов и др.. М. : Атомиздат, 1978.

24. Себиси Т. Конвективный теплообмен / Т. Себиси, П. Брэдшоу. М. : Мир, 1987. - 592 с.

25. Щетинков Е. С. Физика горения газов / Е. С. Щетинков. М. : Наука, 1965.

26. Щелкин К. И. Газодинамика горения. / К. И. Щелкин, Я. К. Трошин. — М. : Изд-во АН СССР, 1963. -255с.

27. Лаундер Б.Е. Тепло- массоперенос // Турбулентность / Б. Е. Лаундер, под ред. П. Брэдшоу. -М. : Машиностроение, 1982. С. 235-290.

28. Математическая теория горения и взрыва / Я. Б. Зельдович и др.. — М. : Наука, 1980.

29. Цуханова О. А. Кинетика распространения пламени / О. А. Цуханова. — М. : изд-во АН СССР, 1959.

30. Сполдинг Д. Б. Основы теории горения / Д. Б. Сполдинг. — М.-Л. : Госэнергоиздат, 1959. — 354 с.

31. Щелкин К. И. О сгорании в турбулентном потоке / К. И. Щелкин // Журнал технической физики. 1943. - Т. 13, вып.9-10. - С. 520-527.

32. Бетчов Р. Переход / Р. Бетчов. Турбулентность : принципы и применение. — М. : Мир, 1980.

33. Jones W. P. Calculation of confined swirling flows with a second moment closure / W. P. Jones, A. Pascau // Journal of Fluid Engineering, — Vol. Ill, No 5,-P. 248-256.

34. Брей К. H. К. Турбулентные течения предварительно перемешанных реагентов // Турбулентные течения реагирующих газов / К. Н. К. Брей; под ред. П. А. Либби, Ф. А. Вильямса. -М. : Мир, 1983.

35. Архипов В. А. Характеристики факела распыла центробежной форсунки в нестандартных условиях / В. А. Архипов, В. Ф. Трофимов // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. — 2003. — № 2. — С. 70-72.

36. Льюис Б. Горение, пламя и взрывы в газах / Б. Льюис, Г. Эльбе. М. : Мир, 1968.

37. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД / А. Лефевр. М. : Мир, 1986.

38. Основы практической теории горения / под ред. В. В. Померанцева. — М. : Энергоатомиздат, 1986.

39. Халатов А. А. Локальные и интегральные параметры закрученного потока в длинной трубе / А. А. Халатов, В. К. Щукин, В. Г. Летягин // ИФЖ. 1977. - Т. 33, № 2. - С. 224-232.

40. Халатов А. А. Интегральный метод расчета развития закрученного потока в канале // Изв. вузов. Сер. Авиационная техника. 1977. — № 3. — С.104-113.

41. Шнайдерман М. Ф. О влиянии закрутки на распределение скоростей и температуры в круглой трубе / М. Ф. Шнайдерман, А. И. Ершов // ИФЖ. 1975. - Т. 28, № 4. С. 630-635.

42. Третьяков В. В. Численное исследование ламинарного закрученного течения в кольцевом канале / В. В. Третьяков, В. И. Ягодкин //ИФЖ. -1978. Т. 34, № 2. - С. 273-280.

43. Будунов Н. Ф. О некоторых расчетах закрученных течений несжимаемой жидкости / Н. Ф. Будунов //Известия СОАН СССР. Сер. Технических наук. — 1977. № 13, вып. 3. - С. 3—10.

44. Будунов Н. Ф. К расчету закрученных течений с обратными токами / Н. Ф. Будунов, Т. В. Беляева // Математические модели течений жидкости.-Новосибирск, 1978.

45. Будунов Н. Ф. Некоторые задачи гидромеханики и их численное решение / Н. Ф. Будунов. Иркутск : Изд-во ИГУ, 1980.

46. Волчков Э. П. О торцевом пограничном слое в -вихревой камере / Э. П. Волчков, С. В. Семенов, В. И. Терехов // Структура вынужденных и термогравитационных течений. Новосибирск, 1983.

47. Спэрроу Турбулентное течение и теплообмен в круглой трубе при наличии закрутки / Спэрроу, Чабоки // Теплопередача. 1984. — № 4. — С. 74-82.

48. Волчков Э. П. Турбулентный пограничный слой на вращающемся торце вихревой камеры / Э. П. Волчков, С. В. Семенов, В. И. Терехов // ПМТФ,- 1988.-№ 5.-С. 74-80.

49. Волчков Э. П. Аэродинамика торцевого пограничного слоя в вихревой камере / Э. П. Волчков, С. В. Семенов, В. И. Терехов // ПМТФ. 1986. -№5. -С. 117-126.

50. Щукин В. К. О структуре закрученного течения в непосредственной близости от завихрителя с прямыми лопатками / В. К. Щукин, Ф. И. Шарафутдинов, А. И. Миронов // Известия вузов, Сер. Авиационная техника. — 1980. — № 1. — С. 76-80.

51. Нурсте X. О. Исследование аэродинамики потока в закручивающих устройствах / X. О. Нурсте, Ю. В. Иванов, X. О. Луби // Теплопередача.- 1978.-№ 1.-С. 37-39.

52. Собин В. М. Исследование структуры и гидравлического сопротивления турбулентного закрученного потока / В. М. Собин, А. И. Ершов // Весщ АН БССР, Сер. фiз—энерг. навук. 1972. - № 3. - С. 56-81.

53. Гостинцев Ю. А. Расходные характеристики сопла при истечении винтового потока газа / Ю. А. Гостинцев // Известия АН СССР, Механика жидкости и газа. — 1969. № 4. — С. 158—161.

54. Васильев О. Ф. Основы механики винтовых и циркуляционных потоков / О. Ф. Васильев. J1. : Госэнергоиздат, 1958.

55. Гостинцев Ю. А. Поток Громеки Бельтрами в полубесконечной цилиндрической трубе / Ю. А. Гостинцев, П. Ф. Похил, О. А. Успенский // Известия АН СССР, Механика жидкости и газа. — № 2. - С. 117—120.

56. Гольдштик М. А. Приближенное решение о ламинарном закрученном потоке в круглой трубе / М. А. Гольдштик // ИФЖ. 1959. - Т. 2, № 3. -С.100-105.

57. Стейджер Смешение в свободной струе в условиях осесимметричного течения с сильной закруткой / Стейджер, Блум // Теплопередача. — 1962.- № 4.

58. Кельмансон И. А. Решение задач о распространении закрученных струй интегральными методами / И. А. Кельмансон, Б. П. Устименко // Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Алма-Ата : Наука, 1965. - Вып. 2. - С. 173-178.

59. Черкасский В. С. Расчет закрученного потока вязкой несжимаемой жидкости в трубе с тангенциальной подачей жидкости // Теплофизика и физическая гидродинамика. Новосибирск : ИТФ СО АН СССР, 1978. — С. 49-54.

60. Ахметов В. К. Исследование закрученных потоков вязкой несжимаемой жидкости численными методами. // Механика деформируемых сред. — М. : Изд-во МГУ, 1985. С. 24-27.

61. Будунов Н. Ф. Ламинарное закрученное течение вязкой несжимаемой жидкости при внезапном расширении канала. // Материалы второй науч. конф.ВСТИ.-Улан-Уде, 1973.

62. Рейнольде У. К. Расчет турбулентных течений / У. К. Рейнольде, Т. Себесси. М. : Машиностроение, 1980. - С. 202 - 234.

63. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. М. : Наука, 1974.

64. Халатов А. А. Расчет профиля вращательной скорости в цилиндрическом канале с закруткой потока на входе. // Промышленная теплотехника. Киев : Наукова Думка, 1979. - № 2. — С. 75-78.

65. Гельмгольц Г. Два исследования по гидродинамике / Г. Гельмгольц. — СПб., 1902.

66. Rosenhead L. The formation of vortices from a surface of discontinuity. // Proc. R. Soc.- 1932.-Vol. A134. -P. 170-192.

67. Матвиенко О. В. Нестационарные процессы горения в канале при закрутке газового потока и ее прекращении / О. В. Матвиенко, В. А. Архипов // Физика горения и взрыва. 1999. — № 4.

68. Архипов В. А. Влияние геометрических и режимных параметров на стабилизацию пламени вихревой горелки / В. А. Архипов, О. В. Матвиенко, Е. А. Рудзей // Физика горения и взрыва. 1999. — № 5.

69. Архипов В. А. Горение распыленного жидкого топлива в закрученном потоке / В. А. Архипов, О. В. Матвиенко, В. Ф. Трофимов // Физика горения и взрыва. 2005. - № 2. - С. 26-37.

70. Интенсивные атмосферные вихри / под ред. Л. Бенгтссона, Дж. Лайтхилла. -М. : Мир, 1985.

71. Алексеенко С. В. Введение в теорию концентрированных вихрей / С. В. Алексеенко, П. А. Куйбин, В. Л. Окулов. — Новосибирск : ИТФ СО РАН, 2003.

72. Никулин В. В. Распад вертикального торнадоподобного вихря // ПМТФ. -1992.-№4.-С. 42-47.

73. Гришин A.M. Приближенное аналитическое решение задачи обiогненном смерче / А. М. Гришин, Е. В. Медюхина // Сопряженные задачи механики, информатики и экологии : материалы международной конф. Томск, 2004. - С. 75.

74. Бубнов Б. М. Термическая структура и турбулизация торнадоподобных вихрей от локализованных источников тепла над вращающимся диском // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 1997. - Т. 33, № 4. — С. 434-442.

75. Самсонов В. П. Самопроизвольные вихревые структуры в пламени / В. П.Самсонов.- Томск : Изд-во Том. ун-та, 2003.

76. Гришин А. М. К механизму формирования и эволюции огненного смерча / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, Р. Ш. Цвык, А. А. Строкатов,

77. Ю. А. Руди // Международная конференция «Пятые Окуневские чтения» : тез. докл. СПб., 2006. - С. 61-62.

78. Гришин А. М. Об устойчивости теплового смерча / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, Ю. А. Руди // Международная конференция «Пятые Окуневские чтения» : тез. докл. СПб., 2006. - С. 59-60.

79. Гришин А. М. Математическое моделирование зарождения огненных смерчей / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко // Лесные и степные пожары : возникновение, распространение и экологические последствия : материалы 6-й международной конф. Томск, 2005. — С. 43-44.

80. Гришин А. М. Математическое моделирование возникновения и существования огненных смерчей / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко // Международная конференция «Пятые Окуневские чтения» : тез. докл. — СПб., 2006. С. 64-65.

81. Гришин А. М. Математическое исследование условий возникновения огненных смерчей / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко // Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии : материалы международной конф. Томск, 2007. - С. 55.

82. Гришин А. М. Моделирование формирования тепловых смерчей / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди // VI Минский международный форум по тепло- и массообмену : тез. докл. и сообщ. — Минск, 2008. Т. 1. - С 204-206.

83. Гришин А. М. Аналитическое решение задачи о возникновении огненного смерча // Экологические системы и приборы. — 2006. — №6. — С. 50-51.

84. Гришин А. М. Действие массовых лесных пожаров на города и потенциально опасные объекты // Экологические системы и приборы. — 2006.-№6.-С. 1463-1470.

85. Гришин А. М. Влияние взаимодействия огненных смерчей друг с другом на их распространение // Доклады РАН. 2007. - Т. 416, №4. — С. 465-466.

86. Гришин А. М. Аналитическое решение задач о распространении двух огненных смерчей // Экологические системы и приборы. — 2008. — №10. С. 47-48.

87. Патанкар С. Численные методы решения задач тепломассообмена и динамики жидкости / С. Патанкар. -М. : Энергоатомиздат, 1983.

88. Van Doormal J. P. Enhancements of the SIMPLE method for predicting Iicompressible fluid flows / J. P. Van Doormal, G. D. Raithby // Numerical Heat Transfer. 1984. - Vol. 7. - P. 147-163.

89. Piquet J. Turbulent Flows : Models and Physics / J. Piquet. — Berlin : Springer, 1999.

90. Маслоу С. А. Неустойчивость и переход в сдвиговых течениях // Гидродинамические неустойчивости и переход к турбулентности /

91. С. А. Маслоу; под ред. X. Суинни, Дж. Голлаба. -М. : Мир, 1984.

92. Справочник по теплообменникам : перевод с англ / под ред. О. Г. Мартыненко. М. : Энергоатомиздат, 1987. — Т. 1.

93. Warnatz J. Combustion / J. Warnatz, U. Maas, R. W. Dibble. Berlin : Springer, 1999.-300 p.

94. Турбулентные течения и теплопередача / под ред. Цзя-цзяо Линь. — М. : ИИЛ, 1963.

95. Launder В. Е. The numerical computations of turbulent flows / В. E. Launder, D. B. Spalding // Report N HTS. 1973. - Vol. 73, No. 2.

96. Халатов A.A. Теория и практика закрученных потоков / А.А. Халатов. — Киев : Наукова Думка, 1989.

97. Теория горения и взрыва : учебное пособие / Л. К. Гусаченко и др.. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2007.- 120 с.iL

98. Spalding D.B. 13 Symp. (Int.) on Combustion, The Combustion Inst., Pittsburg, 1971, p. 649.

99. Gupta A. K., Beer J. M., Louis J. F., Busnaina A. A., Lilley D. G. // ASME J. of Fluids Eng. 1982. - Vol. 104.

100. Syed S. A., Sturgess G. J., Sepulveda D. // ASME Symp. on Fluid Mechanics of Combustion Systems. Boulder, Colorado, 1981.

101. Westbrook С. K. Chemical Kinetic Modeling of Hydrocarbon Combustion / С. K. Westbrook, F. L. Dryer // Progress Energy Combustion Science. — 1984.-Vol. 10.-P. 1-57.

102. Leschziner M. A. Computation of strongly swirling axisymmetric free jets / M. A. Leschziner, W. Rodi // AIAA Journal. 1984. - Vol. 22, No. 11. - P. 370-373.

103. Kobayashi T. Modified k-s model for turbulent swirling flow in a straight pipe / T. Kobayashi, M. Yoda // JSME Int. J. 1987. - Vol. 30. - P. 66-71.

104. Popiel Cz. O. Local Heat Transfer Coefficients on the Rotation Disc in Still Air / Cz. O. Popiel, L. Boguslawski // Int. Journal of Heat Mass Transfer. — 1975.-Vol. 18.-P. 167-73.

105. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы / В. П. Преображенский. -М. : Энергия, 1978.

106. Полежаев Ю. В. Тепловая защита / Ю. В. Полежаев, Ф. Б. Юревич. — М. : Энергия, 1976.

107. Никулин В. В. Исследование взаимодействия торнадоподобного вихря с твердыми границами // ПМТФ. 1980. -№ 1. - С. 68-75.

108. Никулин В. В. Аналог уравнений вихревой мелкой воды для полых и торнадоподобных вихрей. Высота стационарного торнадоподобного вихря // ПМТФ. 1992. - № 2. - С. 45-51.

109. Хзмалян Д. М. Теория топочных процессов / Д. М. Хзмалян. М. : Энергоатомиздат, 1990.

110. Analysis of the vortex street generated at the core bypass lip of a jet engine nozzle / J. Nogueira et.al. // Topics in applied physics. 2008. - Vol. 112.-P. 419-428.

111. Гришин А. М. Математическое моделирование формирование тепловых смерчей / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди // ИФЖ. — 2008. -Т. 81, №5.-С. 860-867.

112. Гришин А. М. Математическое исследование влияния внешней циркуляции на структуру огненных смерчей / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди // Изв. вузов. Физика. 2009. - № 2/2. - С. 100-106.

113. Матвиенко О. В. Математическое исследование самовоспламенения потока закрученного газа в цилиндрическом канале / О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди // Изв. вузов. Физика. 2009. - № 2/2. - С. 137-143.

114. Гришин А. М. Математическое моделирование горения газа в закрученной струе и формирование огненного смерча / А. М. Гришин, О. В. Матвиенко, Ю. А. Руди // ИФЖ. 2009. - Т. 82, № 5. - С. 902 -908.