Моделирование оптических свойств и радиационных характеристик дисперсных систем энергетических установок

Заграй, Ираида Александровна

Моделирование оптических свойств и радиационных характеристик дисперсных систем энергетических установок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Заграй, Ираида Александровна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Киров МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Моделирование оптических свойств и радиационных характеристик дисперсных систем энергетических установок»

Автореферат диссертации на тему "Моделирование оптических свойств и радиационных характеристик дисперсных систем энергетических установок"

На правах рукописи

005009317

ЗАГРАИ ИРАИДА АЛЕКСАНДРОВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И РАДИАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

01.04.14. - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2012

005009317

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет»,

г. Киров

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кузьмин Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Таймаров Михаил Александрович

доктор технических наук, профессор Панфилович Казимир Брониславович

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г.Пермь

Защита состоится 1 марта 2012 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» по адресу: г. Казань, ул. Красносельская, д.51, зал заседаний Ученого совета (Д-223).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим посылать по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, д.51, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.02 проф. Зверевой Э.Р. Тел./факс: (843) 519-4253 (54). E-mail: tvt_kgeu@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет».

С авторефератом можно ознакомиться на сайте ФГБОУ ВПО КГЭУ: www.kgeu.ru

Автореферат разослан «19» января 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.082.02

кандидат химических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Теоретическое исследование теплового излучения позволяет получить информацию о параметрах протекающего в реальности процесса, когда регистрирующая экспериментальная аппаратура не обладает достаточной точностью или разрешающей способностью. В ряде случаев эксперимент является финансово- и энергозатратным или не может быть практически реализован (при исследованиях теплового излучения движущихся продуктов сгорания).

При изменении параметров и условий функционирования действующих энергетических установок возникает необходимость проведения всего комплекса тепловых и энергетических исследований, направленных на повышение производительности установок, а также защиту элементов конструкций. С появлением новых производств главными задачами становятся экономическая эффективность энергетических установок и снижение неблагоприятного воздействия выбросов на окружающую среду.

Имеющийся недостаток исходных данных по оптическим свойствам, дисперсности частиц и радиационным характеристикам создает проблему при компьютерной реализации процессов лучистого теплообмена в энергетических установках. При отработке методик численного моделирования радиационных характеристик и теплового излучения возникает проблема интерпретации результатов с установлением адекватности исследуемым условиям. Для спектро- и радиометрической аппаратуры, работающей с потоками излучающих и рассеивающих гетерогенных продуктов сгорания, необходимо знать области, характер и величину влияния определяющих параметров на измеряемые характеристики.

В связи с этим, проблема численного моделирования оптических свойств и радиационных характеристик является актуальной, а ее решение позволяет изучать процессы теплового излучения в различных энергетических установках.

Объекты исследования: моно- и полидисперсные системы, продукты сгорания энерготехнологических агрегатов, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей.

Целью работы является разработка методики численного моделирования оптических свойств и радиационных характеристик дисперсных систем энергетических установок.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- сбор, систематизация и аналитическое представление исходных данных по оптическим свойствам, дисперсности частиц основных компонентов конденсированной фазы продуктов сгорания энергетических установок;

- создание методики численного моделирования оптических свойств и радиационных характеристик дисперсных систем энергетических установок;

- моделирование радиационных характеристик индивидуальных частиц и единичного объема применительно к продуктам сгорания энерготехнологических агрегатов, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей;

- определение влияния различных факторов на радиационные характеристики и характеристики излучения продуктов сгорания энергетических установок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана и реализована методика численного моделирования оптических свойств и радиационных характеристик дисперсных систем энерготехнологических агрегатов, модельных ракетных двигателей, дизелей и газодизелей.

2. Представлен метод замены полидисперсной системы полифазных частиц совокупностью монодисперсных систем, состоящих из однофазных частиц, для определения радиационных характеристик.

3. Установлены области влияния различных факторов (оптических свойств, дисперсности, присутствия газовой фазы, скоростной и температурной неравновесностей частиц и газа) на радиационные характеристики и характеристики излучения продуктов сгорания энергетических установок.

Практическая ценность работы. Определение оптических свойств и радиационных характеристик с учетом особенностей излучающих продуктов сгорания позволяет повысить надежность и точность расчетных методик в области лучистого теплообмена. Установленные области наибольшего и наименьшего влияния различных факторов на радиационные характеристики и характеристики излучения могут использоваться при планировании, прогнозировании и интерпретации результатов физических и математических экспериментов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в тепловых расчетах энергетических котельных агрегатов Кировского филиала ТГК-5. Материалы диссертации применяются в учебном процессе Вятской ГСХА: при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании студентами, обучающимися по специальностям 190601 и 190603. Межрегиональным советом по науке и технологиям (г. Миасс) рекомендовано опубликовать научный обзор по профилю диссертации в серии «Материалы Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий» для передачи в заинтересованные НИИ, КБ и предприятия для практического использования.

Личный вклад автора. Все результаты получены лично автором под научным руководством доктора технических наук, профессора Кузьмина В.А.

Достоверность результатов работы обусловлена применением методов вычислительной математики, теории рассеяния, сопоставимостью полученных результатов с литературными источниками, использованием баз данных по коэффициентам поглощения газовой фазы, разработанных в ЦНИИмаш и институте оптики атмосферы СО РАН (на основе банков данных ШТЯАЫ и ШТЕМР).

На защиту выносятся:

1. Методика и результаты численного моделирования оптических свойств и радиационных характеристик дисперсных систем энерготехнологических агрегатов, модельных ракетных двигателей, дизелей и газодизелей.

2. Метод определения радиационных характеристик, позволяющий рассматривать полидисперсную систему полифазных частиц путем ее замены совокупностью монодисперсных систем, состоящих из однофазных частиц.

3. Обнаруженные области влияния различных факторов на радиационные характеристики и характеристики излучения продуктов сгорания энергетических установок, позволяющие оценить роль погрешностей при реализации расчетных методик.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция «Наука - производство - технологии - экология», 2008, 2009 гг. (ВятГУ, г.Киров); Пятнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15), 2009 г. (КемГУ, г.Кемерово); Всероссийская научно-техническая конференция «Общество - наука - инновации», 2010, 2011 гг. (ВятГУ, г.Киров); III и IV Международная научно-практическая конференция «Наука -Технология - Ресурсосбережение», 2010, 2011 гг. (Вятская ГСХА, г.Киров); Пятая российская национальная конференция по теплообмену, 2010 г. (МЭИ, г.Москва); XVIII и XIX Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения», 2010, 2011 гг. (КГТУ им. А.Н.Туполева, г.Казань); XXXI Всероссийская конференция «Наука и технологии», 2011 г. (МСНТ, г. Миасс Челябинской обл.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ. Из них 2 статьи в журнале, входящем в перечень ВАК, и 13 статей в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 134 страницах, включающих 50 рисунков, 24 таблицы и 145 наименований в списке использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель исследования, изложены научная новизна и практическая ценность работы, дано описание структуры диссертации.

В первой главе выполнен обзор литературы в области исследований теплового излучения в энергетических установках. Рассмотрены теоретические аспекты процесса переноса излучения в рассеивающей и поглощающей дисперсной системе частиц. Вопросами рассеяния света разного рода частиц занимались Д. Рэлей, Г. Ми, К.С. Шифрин, Г. ван де Хюлст, Р. Кинг, У. Тай-Цзунь, К. Борен, Д. Хафмен, Д. Дейрменджан, А.П. Пришивалко, Е.К. Науменко, Л.Г. Астафьева и др.

Отдельная сферическая частица радиуса г, помещенная на пути плоской электромагнитной волны, рассеивает и поглощает часть ее энергии. Радиационные характеристики индивидуальных частиц (РХИЧ) - эффективные сечения ослабления аося, рассеяния арас и поглощения апогд определяются по формулам:

<7осл=Лг2Косл(т>Р)> ерас=Лг2КраЛт>Р)> тгл = осл ~ рис • (О

Здесь Коа, и Крас - безразмерные факторы эффективности ослабления и рассеяния, /я = n¡-n2 i - комплексный показатель преломления (щ и п2 -показатели преломления и поглощения), р - параметр дифракции (р = 2жг!Х).

При распространении пучка излучения в среде, содержащей в единице объема N сферических частиц одинакового состава и размера (монодисперсная система), связь РХИЧ с радиационными характеристиками единичного объема (РХЕО) -спектральными коэффициентами ослабления кх, поглощения ал, рассеяния ßx и индикатрисой рассеяния /0, определяется выражениями:

= = ßx=X-G ro=J_.fL±il, (2)

где характеризует интенсивность рассеянного излучения, поляризованного в направлении, перпендикулярном плоскости рассеяния, а г2 - в плоскости рассеяния.

Для полидисперсной системы частиц с известной функцией распределения частиц по размерам Дг) справедливы соотношения:

кл=М-]аоа,(г)/(г)сЬ-, ал = N■]апогл(г)/{г)с1г,

(3)

Рх=и-]<грас{г)Г{г)с1г, ГяЧГоШг^г. о о

Числовая концентрация N частиц в продуктах сгорания находится:

ЛГ = —'Ж-или N =———, (4)

(Г)-(1-2)-рч(Г)-Жч рч -(V)

где г - массовая доля конденсата, и рг - плотности частиц и газовой фазы (зависят от температуры 7), Ж, и \Уг — скорости частиц и газа, (V) - средний объем частиц, Ст- массовая концентрация частиц.

Во второй главе проведен анализ основных факторов, определяющих радиационные характеристики продуктов сгорания энергетических установок. К наиболее важным факторам и параметрам относятся дисперсность частиц (размеры, функция распределения частиц по размерам) и оптические свойства материала частиц (комплексный показатель преломления, его зависимость от длины волны и температуры). Выбор спектрального интервала, определяющего исследуемые оптические свойства, радиационные характеристики и характеристики излучения, должен определяться рабочей температурой излучающих сред конкретной энергетической установки. С этой целью проведено методическое оценочное исследование температурного интервала (300...3500 К) и спектрального диапазона (0...20мкм) для нахождения доли учитываемого излучения (применительно к абсолютно черному телу). Результаты представлены в виде номограмм.

Реализация численного моделирования радиационных характеристик в широких интервалах длин волн и рабочих температур требует аналитического представления исходных данных по оптическим константам и дисперсности частиц конденсата. В связи с этим, этап сбора и подготовки исходных данных представляет важную трудоемкую задачу. Создан банк данных по оптическим свойствам, дисперсности частиц конденсата продуктов сгорания промышленных энерготехнологических агрегатов, модельных ракетных двигателей, дизелей и газодизелей. Исходные табличные данные по оптическим константам зольных и пылевых частиц, полученные в работах А.Г. Блоха, М.А. Таймарова, были аппроксимированы полиномами пятой степени в зависимости от длины волны. Для описания распределения полидисперсных систем частиц золы и пыли по размерам в

0дг-1пго)2

диссертационной работе использовалась функция: /(г) = ._1-е 2{1" ■ (5)

41п - г 1псг

Основным компонентом конденсированной фазы гетерогенных продуктов сгорания модельных ракетных двигателей, работающих на твердом топливе (РДТТ),

являются частицы оксида алюминия. В диссертационной работе использовалось аналитическое представление оптических констант А1203 из работы В.А. Кузьмина, Л.Т. Гребенщикова, К.Б. Панфиловича, Е.И. Мараткановой и А.А. Пятина:

и, = 1,747 + 0,0066л - 0,0063Л2 + 0,00003 • Т, ^

к = -2,19 + 0,089 • Я0'95 - 0,00056(3200 - г)А~0,45, п2= 10*.

Для модельных РДТТ система частиц конденсированного оксида алюминия

представлялась гамма-распределением: /(г) = —^гЬе"г- (?)

о!

Для факела натурных ракетных двигателей использовалось логарифмически-нормальное распределение (5).

В большинстве энергетических устройств и двигателях, где в качестве горючих веществ используются углеводороды. или их соединения, в продуктах сгорания образуются частицы сажи. Проанализированы литературные данные по оптическим свойствам образцов сажи, находящихся в сплошном и дисперсном состояниях при Т= 293...2250 К. Для описания распределения полидисперсных систем частиц сажи

по размерам в данной работе использовалась функция: /(г)= —-—Г—) • . (8)

В третьей главе разработана методика численного моделирования оптических свойств и радиационных характеристик дисперсных систем энергетических установок. Методика включает: сбор и представление исходных данных (глава 2), построение физической и математической моделей, создание алгоритмов и компьютерных программ, обработка и анализ конечных результатов.

Дополнительно создана оценочная экспресс-методика комплексного численного моделирования радиационных характеристик (по теории Г. Ми) и характеристик излучения (методом двухпотокового приближения - ДПП) продуктов сгорания энергетических установок. При исследовании влияния различных факторов на характеристики излучения (спектральную степень черноты £д и интенсивность /я) на уровне качественных оценок, а иногда и количественных зависимостей (при оптической толщине слоя г>10) оправдано применение ДПП.

Надежность созданной методики проверена сравнением полученных с помощью программ радиационных характеристик и степеней черноты с данными, представленными в работах Г. ван де Хюлста (отличие до 7%), Д. Дейрменджана (отличие до 0,2%), К.С. Адзерихо, Е.Ф. Ноготова, В.П. Трофимова (отличие до 80%) и А.Г. Блоха (отличие до 15%).

В четвертой главе приведены результаты численного моделирования РХИЧ и РХЕО для восьми энерготехнологических агрегатов, модельных ракетных двигателей, дизелей и газодизелей.

С использованием данных о системах пылевых потоков частиц из работ М.А. Таймарова и Р.Г. Гильфанова, определены радиационные характеристики твердых дисперсных фаз для восьми энерготехнологических агрегатов ОКГ-ЮО-ЗБ, БКЗ-210-140Ф, РКЖ-25/40, КС-450-ВТКУ, КУ-125, УККС-6/40, БКЗ-210-140, ТОП-35/40. На рис.1 приведен пример расчета РХЕО для системы частиц из агрегата

ОКГ-ЮО-ЗБ (конвертерное производство на Челябинском металлургическом заводе). Исходные данные: рч= 3,9 г/см3, Ст = 150 г/м3, f(r) (5) с параметрами г0= 2 мкм, <т = 2,014 мкм. Оптические свойства частиц описывались зависимостями:

и, =-2,0789+2,8860-Х.-1,0046-Х2+0,16253-Г-0,012178-Г+3,4196-10 -X5, «2 = 4,2880-3,О850-Х+0,95883-Х.2-О,13883-А.3+9,370М0"3-А.4—2,3773-10"4'А,5.

(9)

Для систем частиц агрегатов ОКГ-ЮО-ЗБ, БКЗ-210-140Ф, РКЖ 25-40, КС-450-ВТКУ, КУ-125, УККС-6/40 было установлено, что с ростом длины волны роль поглощения в суммарном ослаблении увеличивается. Величина критерия Шустера 5/г = находится в интервале 0,34...0,55 для агрегата ОКГ-ЮО-ЗБ; в интервале

0,24. ..0,48 для агрегата БКЗ-210-140Ф; в интервале 0,47...0,56 для агрегата РКЖ 2540; в интервале 0,4...0,55 для агрегата КС-450-ВТКУ; в интервале 0,49...0,57 для агрегата КУ-125; в интервале 0,43...0,53 для агрегата УККС-6/40; в интервале 0,54...1 для агрегата БКЗ-210-140; в интервале 0,52...1 для агрегата ТОП-35/40. При одинаковой массовой концентрации, системы с меньшим модальным радиусом частиц обладают наибольшими значениями величин кл, ах и /?я.

, kj. «i. B^I/M

ад. LW

Рис.1. Радиационные характеристики единичного объема частиц агрегата ОКГ-ЮО-ЗБ

Рис.2. Радиационные характеристики единичного объема частиц А1203: 1 - Т-2320 К; 2 -Г= 3173 К.

Проведено моделирование радиационных характеристик частиц оксида алюминия, содержащихся в продуктах сгорания модельных РДТТ при температурах 2320 К и 3173 К (рис.2). Исходные данные: г = 0,283, р = 105 Па, //=36,5 г/моль, f(r) (7) с параметрами а = 1,642 мкм'1, ¿=1,11, рч = 3,0 г/см3 при Г = 2320 К и = 2,1 г/см3 при Г= 3173 К. С увеличением длины волны X от 0,3 до 4,5 мкм наблюдается увеличение сечений ослаблении <Тос, и рассеяния Upac, а также соответствующих спектральных коэффициентов ослабления кх и рассеяния рх-Увеличение Л. от 0,3 до 5 мкм приводит к уменьшению значений апогя и в 2,3 раза при температуре 3173 К и на 12% при температуре 2320 К. Повышение температуры от 2320 К до 3173 К приводит к увеличению коэффициента ослабления Кх на 7-8 % и коэффициента поглощения ах в 2-4 раза.

При характерных радиусах частиц А1203 в продуктах сгорания модельных РДГТ 0,1...5 мкм и выбранном спектральном интервале 0,3...5 мкм (соответствует максимуму излучения при указанных температурах) параметр дифракции р составляет 0,1... 105. Индикатриса рассеяния у может быть весьма вытянутой.

Наибольшее распространение нашла аппроксимация индикатрисы в виде ряда по полиномам Лежандра Р„:

+ (10)

4тг 4я- 1

Так как излучающие продукты сгорания представляют собой среду с собственными внутренними равномерно распределенными источниками теплового излучения, характер которого подобен равновероятному рассеянию излучения частицами единичного объема по различным направлениям, то результирующее излучение (собственное и рассеянное) близко к диффузному. Поэтому, при решении уравнения переноса энергии излучения (методом сферических гармоник, дискретных ординат, характеристик и т.д.) можно ограничиться тремя членами разложения индикатрисы рассеяния в ряд. Была проведена аппроксимация величин А/, А2, Аз для спектрального интервала Я = 0,5...6,5 мкм и диапазона температур Г= 300...2500 К. Результаты получены с использованием оптических констант (6) для f(r) (5) с параметрами: а= 1,5 мкм, г0= 1,23 мкм; а= 1,5 мкм, го=3,05 мкм; а= 1,5 мкм, г0= 2,01 мкм и для f(r) (7) с параметрами: а = 1,514 мкм"1, Ъ = 0; л = 2,5 мкм"1, Ъ = 0,5; а = 1,642 мкм'1,6= 1,11.

При сжигании топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) твердую дисперсную фазу факела образуют частицы сажи. Были получены спектральные зависимости сечений поглощения стпогл частиц сажи от радиуса частиц при г = 0,005...0,02 мкм. Из-за малости дифракционных эффектов при рассеянии излучения в спектральном интервале 0,5... 10 мкм сечения и коэффициенты рассеяния малы и поэтому их можно не учитывать. Проанализированы коэффициенты поглощения ах частиц сажи в цилиндре тракторного дизеля 44 11,0/12,5 при работе на дизельном топливе (ДТ) и на сжатом природном газе (СПГ) по исходным данным работы В.А. Лиханова и П.Н. Вылегжанина. Моделирование РХЕО проводилось при указанных выше радиусах частиц. При этом максимальное различие коэффициентов ах, вычисленных для радиусов 0,005 мкм и 0,02 мкм, составляет не более 5%, что соответствует Л = 0,5 мкм. Характер зависимости ах от длины волны повторяет характер зависимости атгд от X. Максимум поглощения приходится на коротковолновую часть спектра.

Используя данные работы В.А. Лиханова, В.Г. Мохнаткина и A.B. Россохина, получены зависимости спектральных и интегральных РХЕО частиц сажи от угла поворота коленчатого вала (п.к.в.) для цилиндра дизеля с турбонаддувом 4 ЧН 11,0/12,5 при работе на ДТ и СПГ. Распределение частиц по размерам описывалось функцией (8) с параметром гт = 0,02 мкм. В табл.1 показано изменение массовой концентрации частиц сажи в цилиндрах дизеля и газодизеля при разных углах п.к.в.

Таблица 1. Изменение массовой концентрации частиц сажи в цилиндрах дизеля

и газодизеля 4 ЧН 11,0/12,5 в зависимости от угла п.к.в.

Угол п.к.в. (р, град

5 10 15 20 40 60 80 100

Ст, г/м3 (дизель) 0,15 0,32 0,33 0,32 0,27 0,23 0,18 0,15

С„, г/м3 (газодизель) 0,10 0,20 0,23 0,22 0,18 0,15 0,11 0,08

<р, град

Рис.3. Коэффициенты поглощения частиц сажи в цилиндре дизеля 4 ЧН 11,0/12,5 в зависимости от угла п.к.в.

Для полидисперсной системы частиц сажи максимальное значение спектрального ссх и интегрального а коэффициентов поглощения

наблюдается при угле (р = 15° п.к.в (рис.3). Значения а\ возрастают с уменьшением длины волны А. от 10 мкм до 0,5 мкм. Для газодизеля характер зависимости для ах остается прежним, хотя числовые значения уменьшаются на 30-47 %. Проведенное сравнение РХЕО для дизеля и газодизеля необходимо для дальнейшей оценки доли лучистого теплообмена при переходе на газовое топливо.

В пятой главе представлен новый метод определения радиационных характеристик, а также установлены области влияния различных факторов на радиационные характеристики и характеристики излучения продуктов сгорания энергетических установок.

Для определения радиационных характеристик рассматривалась полидисперсная система полифазных частиц (химический состав: Бе = 42,7%; 5Ю2= 23,3 %; 8 = 3,6%; А1203 = 3,5 %; = 0,8 %; Си = 0,4%) из газохода котла КС-450-ВТКУ (обжиг серного колчедана на Череповецком комбинате «Аммофос»). Оптические свойства описывались зависимостями:

„, = -1,7941-10"3+0,87267-Лг-0,26997•Л2+0,037968-^3-2,4523-10"Ч4+5,8949-10"Ч5, «2=0,71756-0,38073 •Х+0,16959 Я.2-0,030649-Х3+2,361310-3а4-6,481310'Ч5. (11)

Проводилась замена исходной системы с эквивалентным среднемассовым радиусом г43= 16,4 мкм на совокупность монодисперсных систем, имеющих одинаковый состав (однофазные частицы) в пределах каждой системы. При этом радиус однофазной частицы находился по формуле: г1=г43-\]рчХ^р1, где р, -

плотность вещества однофазной частицы, Х1 - массовая доля, /^-плотность

вещества полифазной частицы (рч = ^Х, ■ р, = 4,3 г/см ). Массовая концентрация

полученных однофазных частиц определялась: Ст1 = Х1-Ст, где Ст= 300 г/м .

Радиационные характеристики монодисперсных систем однофазных частиц находились как:

к„ =М-яг,2Коа,а1 (=Ы-^Кпог]1, р^^И-^К^. (12) Переход от РХЕО монодисперсных систем однофазных частиц к суммарным радиационным характеристикам, описывающим полидисперсную полифазную

систему, осуществлялся по формулам:

6 6 6

*ЛЕ=1>;1/> «ЛЕ=1>Л/> АЕ=£А/- (13)

/=1 1 /=1

Проведенная замена полидисперсной системы полифазных частиц совокупностью монодисперсных систем, состоящих из шести видов однофазных частиц, приводит к появлению осцилляций у радиационных характеристик (рис.4). Максимальное отклонение суммарного коэффициента ослабления Кхх от коэффициента К\ для полидисперсной полифазной системы наблюдается в интервале 6,4...7 мкм и составляет от 33 до 49 %. Для коэффициентов поглощения ахх и «х максимальное расхождение может достигать 18 раз, а для коэффициентов рассеяния Де и Д до 2,8 раза. Предложенный метод определения радиационных характеристик может быть применен при отсутствии исходных данных по оптическим константам щ и п2 полифазных частиц, образующих систему. Метод дает наименьшую ошибку (в пределах одного порядка) при нахождении коэффициентов ослабления и рассеяния.

° ' -т O

• ! . 1 ¡ i

Лотдиажраюя ахиема,/(г) ооо Исходные пСличные " ухх а. 1 лввыепв^нла * Г М5ПЫНЗ piCOTbt Р1 J МА. Таймером Ucmoüucnepatas ajcmeMa, j — „,./u) — ад Liij-ZU) — - Ря J С»)

0 ♦ о" í.— > 4 \

{ 0

6 7 8

10 11 12 13 1-4 15

Рис.5. Радиационные характеристики для моно- и полидисперсной систем пылевых частиц из котла КС-450-ВТКУ

Рис.4. Радиационные характеристики полидисперсной системы полифазных частиц (ах, ах, Д) и монодисперсных систем однофазных частиц (кхъ «хь Ах) для котла КС-450-ВТКУ Также была проведена замена полидисперсной системы частиц из котла КС-450-ВТКУ эквивалентной монодисперсной с объемно-поверхностным радиусом г32= 13,6 мкм. Получено, что отклонение результатов составляет: для кх не более 4 %, для ах не более 2 %, для Д не более 8 % (рис.5).

Исследовано влияние присутствия газовой фазы на радиационные характеристики и характеристики излучения продуктов сгорания модельного РДТТ. Камера сгорания двигателя имела цилиндрическую форму с диаметром <4 = 260 мм, а диаметр среза сопла составлял <4= 80 мм. Оптические свойства А1203 представлялись уравнениями (6). Другие исходные данные перечислены в табл. 2. На рис.6 приведены результаты моделирования радиационных характеристик и характеристик излучения в интервале длин волн от 0,3 до 6,5 мкм с учетом (кх, ал, /д, и без учета {кх, ах, рх, 1х, £х) компонентов газовой фазы. При переходе от

камеры сгорания к срезу сопла наблюдается уменьшение численных значений радиационных характеристик вследствие меньшей числовой концентрации частиц и температуры газа. При отсутствии газовой фазы спектральные распределения коэффициентов кх, ах и Д имеют сплошной характер, т.к. излучают частицы. При

понижении температуры от 3250 К до 2650 К максимум ослабления и рассеяния смещается от длины волны 2,4 мкм к длине волны 5,5 мкм. При учете компонентов газовой фазы коэффициенты к\ и а\ имеют максимумы в полосах поглощения 1,9; 2,7; 4,3 мкм. При переходе от камеры сгорания к срезу сопла излучение приобретает ярко выраженный селективный характер. Максимальное влияние присутствие газа оказывает на изменение коэффициента поглощения ах, который может увеличиваться в 88 и 157 раз для камеры сгорания и среза сопла соответственно. Наличие газа в продуктах сгорания РДТТ увеличивает интегральную степень черноты е на 5 % для условий камеры сгорания и на 225 % для среза сопла.

Таблица 2. Исходные данные для определения радиационных характеристик и

характеристик излучения частиц модельного РДТТ

Параметры Камера сгорания Срез сопла

Давление р, кгс/см (-10 Па) 40,7 1

Температура частиц Тч и газа Тг, К 3250 2625

Массовая доля конденсата г 0,05 0,05

Плотность частиц конденсата а, г/см3 1,97 2,67

Параметры функции /М(7) (а, мкм"1) а=3,0; ¿=0,6 а=1,6; ¿=2,0

Молярная масса продуктов сгорания ц, г/моль 26 26

Толщина слоя I, мм 260 80

Компоненты газовой фазы: Н20, СО, С02, ОН 0,392; 0,193; 0,119; 0,078 0,392; 0,193; 0,119; 0

Плотность газа рг, г/см3 3,65-10"3 1Д1-10"4

Рис.6. Радиационные характеристики и характеристики излучения для модельного РДТТ: а, б - камера сгорания. е=0,688; е*=0,723; в, г - срез сопла. е=0,012; е*=0,039

Установлено влияние скоростной (Шч/Шг), температурной (Тг/Тч), а также обеих неравновесностей частиц и газа на радиационные характеристики и характеристики излучения гетерогенных продуктов сгорания для условий среза сопла. На рис.7 и 8 приведены отношения коэффициентов ослабления кх_/кх+ ,

поглощения ал_/ал+, рассеяния РХ-!Рх+ и степени черноты неравновесном (-) и равновесном (+) течении.

«и

при

! = 0,9 в

Г ; ■/" ----- И 1

¡V 1/ —

Тг/Тч = 0,9 ■ 1 ■ - в

5*= у'.

г 4?

^з = 0,8 б

А1. :

1 /-

1 1 в

ТоТч = 0,8 !

-V V/ V *

2 «V'

_ .. _1. I 1

- - ТУч/ЦУг-0.9 — П'ч/№г-0,8 !

-.А N :

/ * <0-

- ...... 7г/Гч=0,9 ---- Гг/Тч-0.8

. ' 1 1

V 1Л1

А) Л

П'ч/Жг - 0,9 ' Тг/Тч = 0,9 V?

| е

,3 I

С. 'П

V- -11|

V-/ к

»'ч/И'-' = 0,8 ' 7ЪТч=0,8 «к

Я, мкм л, мым

Рис.7. Влияние скоростной и температурной неравновесностей на радиационные характеристики: 1 - ; 2 - ал_/ал+; 3 -

-1ГчЛГг-0,9. ТгГГч-0,9 & _ - а,чЛУг=0,8\ Тг,Тч=0,$ И

Л, мкм

Рис.8. Влияние скоростной и температурной неравновесностей на степень черноты

Скоростная неравновесность приводит к увеличению числа частиц в единице объема и, соответственно, к увеличению коэффициентов к*., ах и Д. Для полос поглощения 1,9; 2,7; 4,3...5,1 мкм газовой фазы, наблюдается меньшее увеличение коэффициентов кх, ах и ёл. Влияние неравновесности ослабевает с увеличением поглощения в полосе. Интегральная степень черноты е увеличивается на 3 % (№ч/Жг=0,9) и 8% (1¥ч/1Уг = 0,8). Температурная неравновесность частиц конденсата и газа приводит к увеличению плотности газа и, соответственно, к возрастанию числовой концентрации частиц. При этом коэффициент рассеяния Д увеличивается на 11 % (Тг/Тч =0,9) и 25 % (Тг/Тч = 0,8). Понижение температуры газовой фазы может как увеличивать, так и уменьшать коэффициенты ослабления кх, поглощения ах и степень черноты ел. При 20 % температурной неравновесности (Тг/Тч = 0,8) рост коэффициента кх может достигать 83 %, а коэффициента ах до 100% при Л= 4,2...'4,3 мкм. Уменьшение на 10% (7г/7ч=0,9) и 31% (Тг/Тч = 0,8) в спектральном интервале 4,3...5,1 мкм объясняется экранированием

излучения частиц газовой фазой, имеющей более низкую температуру. Совместный учет температурной и скоростной неравновесностей показывает, что влияние на коэффициенты кх, ах и Д и степень черноты ел усиливается. Увеличение коэффициента кх может достигать 91 %, коэффициента ак до 100 %, а коэффициента Д до 57 %. Оба вида неравновесностей {Шч^Уг = 0,8 и Тг/Тч= 0,8) увеличивают £Х в спектральном интервале 0,3...4,3 мкм до 64%. Для спектрального интервала 4,3...5,0 мкм, соответствующего сильным полосам поглощения газовой фазы, данные виды неравновесностей приводят к уменьшению ел до 31 %. При этом интегральная степень черноты е увеличивается на 23 %.

Установлена зависимость

радиационных характеристик частиц сажи от оптических свойств и дисперсности. Найденные значения сечений поглощения «гяог» по оптическим константам, соответствующих

температурам 293 К, 1700 К и 2250 К, приводят к расхождению результатов до 45 % (X = 10 мкм). Для полидисперсной системы сечение поглощения апогя(поли) превосходит ст„„гл(моно) для

монодисперсной системы. Отношение Одаг7(поли)/ст„пгл(моно) может достигать 2,4 раза (А. = 0,5 мкм). При заданном угле п.к.в. применительно к газодизелю 4 ЧН 11,0/12,5 коэффициенты

поглощения ах для моно- и полидисперсной систем частиц отличаются не более, чем на 8 % (рис.9).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана и реализована методика численного моделирования оптических свойств и радиационных характеристик дисперсных систем энергетических установок.

- Для систем частиц из восьми энерготехнологических агрегатов ОКГ-ЮО-ЗБ, БКЗ-210-140Ф, РКЖ-25/40, КС-450-ВТКУ, КУ-125, УККС-6/40, БКЗ-210-140, ТОП-35/4 была установлена роль процессов поглощения и рассеяния в суммарном ослаблении падающего излучения.

- Для систем частиц оксида алюминия высокоэнергетических установок было показано, что повышение температуры от 2320 К до 3173 К приводит к увеличению коэффициента ослабления Кх на 7-8 % и коэффициента поглощения ал в 2-4 раза. Представлены уравнения для нахождения первых трех членов разложения индикатрисы рассеяния в ряд по полиномам Лежандра полидисперсных систем частиц оксида алюминия.

- Для частиц сажи, находящихся в цилиндрах дизелей 4411,0/12,5 и 4 ЧН 11,0/12,5 установлено изменение коэффициентов поглощения в зависимости от длины волны падающего излучения. Максимальные значения спектральные и

1!м

ад(моио)/СЕдОами)

Рис.9. Спектральный коэффициент поглощения ал сажи для моно- и полидисперсной систем частиц газодизеля 4 ЧН 11,0/12,5 при разных углах п.к.в.

интегральные коэффициенты поглощения принимают при угле <р = 15° п.к.в в цилиндре дизеля ЧН 11,0/12,5 как при работе на ДТ, так и на СПГ.

2. Предложенный метод замены полидисперсной системы полифазных частиц, совокупностью монодисперсных систем, состоящих из однофазных частиц для определения радиационных характеристик (на примере котла КС-450-ВТКУ) показал удовлетворительные результаты при нахождении коэффициента ослабления. Для определения коэффициентов поглощения и рассеяния данный метод может использоваться только качественно с учетом спектральных диапазонов.

3. Установлены области влияния различных факторов на радиационные характеристики и характеристики излучения продуктов сгорания энергетических установок.

-Замена полидисперсной системы частиц из газохода котла КС-450-ВТКУ эквивалентной монодисперсной с объемно-поверхностным радиусом показала, что отклонение результатов составляет: для Кх не более 4 %, для ак не более 2 %, для ßx не более 8 %. При замене полидисперсной системы частиц сажи в цилиндре газодизеля 4ЧН 11,0/12,5 на монодисперсную с модальным радиусом отличие для коэффициента поглощения ах составляет не более 8 %.

- Определение сечений поглощения <г„ог, частиц сажи по оптическим константам, соответствующих температурам 293 К, 1700 К и 2250 К, приводит к ошибке до 45%.

- Максимальное влияние присутствие газа в продуктах сгорания модельного ракетного двигателя оказывает на изменение коэффициента поглощения ад, который может увеличиваться в 88 и 157 раз для камеры сгорания и среза сопла соответственно. При этом интегральная степень черноты е увеличивается на 5 % для камеры сгорания и на 225 % для среза сопла. Совместное влияние 20 % скоростной и 20% температурной неравновесностей на коэффициенты /а, ах и ßx может достигать 100 %, на ед - до 64 %.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Кузьмин В.А., Пяткова (Заграй) И.А. Радиационные характеристики частиц конденсированной фазы гетерогенных продуктов сгорания в энергетических установках И Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2010. - №1-2. — С.14-20.

2. Кузьмин В.А., Пяткова (Заграй) И.А. Радиационные характеристики частиц двигателей и энергетических установок // Известия вузов. Проблемы энергетики. -2010,- №3-4.-С.11-14.

В других изданиях:

3. Кузьмин В.А., Пяткова (Заграй) И.А. Адаптация программ на языке Фортран в среду Delphi для решения задач теплового излучения // Материалы Всерос. науч.-техн. конф. «Наука-производство-технологии-экология». Т.З. — Киров: ВятГУ, 2008.-С. 152-153.

4. Кузьмин В.А., Пяткова (Заграй) И.А. Оптические и радиационные характеристики частиц сажи в продуктах сгорания дизельного двигателя // Материалы Всерос. науч.-техн. конф. «Наука-производство-технологии-экология». Т. 1. - Киров: ВятГУ, 2009. - С. 241-244.

5. Кузьмин В.А., Пяткова (Заграй) И.А. Радиационные характеристики частиц энерготехнологических агрегатов // Материалы Всерос. науч.-техн. конф. «Наука-производство-технологии-экология». Т.1. - Киров: ВятГУ, 2009. - С. 245-248.

6. Пяткова (Заграй) И.А. Моделирование радиационных характеристик частиц энерготехнологических агрегатов // Материалы ВНКСФ-15. Т.1. - Кемерово: АСФ России, 2009. - С. 676-677.

7. Кузьмин В.А., Пяткова (Заграй) И.А. Радиационные характеристики частиц сажи в цилиндре газодизеля // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Сб. трудов Ш Межд. науч.- практ. конф. «Наука -Технология - Ресурсосбережение». - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - С.36-40.

8. Пяткова (Заграй) И.А. Оптические свойства оксида алюминия в гетерогенных продуктах сгорания и дисперсных системах // Материалы ВНКСФ-16. Т.1. Волгоград: АСФ России, 2010. - С. 349-350.

9. Кузьмин В.А., Пяткова (Заграй) И.А. Изменение радиационных характеристик частиц сажи в цилиндре дизеля в зависимости от угла поворота коленчатого вала // Материалы Всерос. науч.-техн. конф. «Общество - наука -инновации». Т.2. - Киров: ВятГУ, 2010. -С.310-314.

10. Пяткова (Заграй) И.А. Исследование радиационных характеристик частиц сажи в цилиндре дизеля при работе на природном газе // Тез. докладов Межд. молод, науч. конф. «XVm Туполевские чтения». Т.2. - Казань: КГТУ. 2010. -С. 81-83.

П.Кузьмин В. А., Маратканова Е.И., Пяткова (Заграй) И.А. Радиационные характеристики частиц энергетических установок // Труды V Российской национальной конф. по теплообмену. Т.6. - М.: МЭИ, 2010. - С.223-226.

12. Заграй И.А. Исследование температурного интервала и спектрального диапазона для расчета теплового излучения // Материалы докладов VI Межд. молод, науч. конференции «Тинчуринские чтения». Т.2. - Казань: КГЭУ, 2011. - С.213-214.

13. Заграй И.А. Влияние дисперсности частиц гетерогенных продуктов сгорания энергетических установок на радиационные характеристики // Материалы ВНКСФ-17. Т.1 - Екатеринбург: АСФ России, 2011. - С. 672-673.

14. Кузьмин В.А., Маратканова Е.И., Пяткова (Заграй) И.А. Исследование полифазности и полидисперсности частиц для расчета радиационных характеристик гетерогенных продуктов сгорания энергетических установок [Электронный ресурс] // Материалы ежег. открытой Всерос. науч.-техн. конф. «Общество, наука, инновации». - Киров: ВятГУ, 2011.-1 элект. опт. диск (CD-ROM) / (ЭТФ. Секция «Физиками теплотехника». Статья №3)

15. Кузьмин В.А., Заграй И.А. Оптические и радиационные характеристики частиц в продуктах сгорания модельного двигателя // Материалы XXXI Всерос. конф. «Наука и технологии». - Миасс: МСНТ, 2011. - С.71-73.

Подписано в печать 17.01.2012г. Гарнитура «Times New Roman» Формат 96x84 1/16 Бумага офсетная. Печать ризографическая Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ № 336

Отпечатано в типографии ОАО «КНПО ВТИ» г. Казань, пр. Ямашева, 36

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Заграй, Ираида Александровна, Киров

ФГБОУ ВПО ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

61 12-5/1881

На правах рукописи

Заграй Ираида Александровна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И РАДИАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Кузьмин В.А.

Киров-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................................13

1.1. Теоретические и экспериментальные исследования теплового излучения в энергетических установках...........................................................................13

1.2. Перенос излучения в рассеивающей и поглощающей среде, содержащей частицы............................................................................................................16

1.3. Радиационные свойства отдельных частиц.........................................22

1.4. Радиационные характеристики моно- и полидисперсных систем частиц энергетических установок................................................................34

1.5. Постановка задач исследования............................................................35

Выводы по первой главе...............................................................................36

2. АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ РАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.........................................................................................................37

2.1. Исследование температурного интервала и спектрального диапазона для расчета теплового излучения.................................................................37

2.2. Оптические свойства частиц конденсата.............................................40

2.2.1. Оптические константы зольных и пылевых частиц..................41

2.2.2. Оптические константы частиц оксида алюминия......................45

2.2.3. Оптические константы частиц сажи...........................................49

2.3. Дисперсность конденсата......................................................................53

2.3.1. Дисперсность зольных и пылевых частиц..................................54

2.3.2. Дисперсность частиц оксида алюминия.....................................56

2.3.3. Дисперсность частиц сажи...........................................................58

Выводы по второй главе...............................................................................60

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И РАДИАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.........................................................................................................61

3.1. Методика численного моделирования оптических свойств и радиационных характеристик дисперсных систем энергетических установок........................................................................................................61

3.2. Создание алгоритма расчета радиационных характеристик дисперсных систем........................................................................................64

3.3. Оценочная экспресс-методика комплексного численного моделирования радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания энергетических установок.........................................67

3.4. Программная реализация методики расчета радиационных характеристик и характеристик излучения.................................................70

3.5. Проверка надежности разработанной методики.................................73

Выводы по третьей главе..............................................................................77

4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.........................................................................................................78

4.1. Радиационные характеристики твердых дисперсных фаз в пылегазовых потоках энерготехнологических агрегатов..........................78

4.2.Радиационные характеристики частиц оксида алюминия в продуктах сгорания высокоэнергетических установок................................................83

4.3. Аппроксимационные зависимости для коэффициентов разложения индикатрисы рассеяния в ряд по полиномам Лежандра частиц оксида алюминия в продуктах сгорания высокоэнергетических установок.......86

4.4. Радиационные характеристики частиц сажи в продуктах сгорания

дизелей............................................................................................................92

Выводы по четвертой главе..........................................................................98

5. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА РАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ

СГОРАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК............................................99

5.1. Сравнение радиационных характеристик для моно- и полидисперсных систем частиц энерготехнологических агрегатов........99

5.2. Исследование полифазности и полидисперсности частиц для расчета радиационных характеристик продуктов сгорания энергетических установок......................................................................................................101

5.3. Влияние присутствия газовой фазы на радиационные характеристики и характеристики излучения продуктов сгорания высокоэнергетических установок..............................................................104

5.4. Влияние скоростной и температурной неравновесностей на радиационные характеристики и характеристики излучения

гетерогенных продуктов сгорания высокоэнергетических установок ..108 5.5. Зависимость радиационных характеристик частиц сажи от

оптических свойств и дисперсности..........................................................114

Выводы по пятой главе...............................................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................118

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Теплообмен излучением играет важную роль в природе и технике. В отличие от теплопроводности и конвекции, лучистый теплообмен всегда сопровождается переходом энергии из одной формы в другую. При излучении теплота тела превращается в энергию электромагнитных колебаний, которая распространяется в окружающем пространстве со скоростью света. При поглощении энергия вновь переходит в теплоту. С повышением температуры возрастает роль теплообмена излучением, а при отсутствии непосредственного контакта между телами перенос тепла излучением становится единственным способом передачи энергии.

Теоретические и экспериментальные исследования процессов лучистого теплообмена включают в себя создание методов интенсификации процессов передачи тепла, а также обеспечение надежной тепловой защиты. Особое место занимают исследования в области решения задач переноса излучения в непрозрачных средах, которые не только сами испускают излучение, но также поглощают и рассеивают проходящее излучение. Процессы переноса излучения в дисперсных системах определяются термо- и газодинамическими параметрами, радиационными характеристиками конденсата, газовой фазы и ограничивающих поверхностей.

Актуальность проблемы. Теоретическое исследование теплового излучения позволяет получить информацию о параметрах протекающего в реальности процесса, когда регистрирующая экспериментальная аппаратура не обладает достаточной точностью или разрешающей способностью. В некоторых случаях эксперимент является финансово- и энергозатратным или не может быть практически реализован (при исследованиях теплового излучения движущихся продуктов сгорания).

повышение производительности установок, а также защиту элементов конструкций. С появлением новых производств главными задачами становятся экономическая эффективность энергетических установок и снижение неблагоприятного воздействия выбросов на окружающую среду.

Разработка методик численного моделирования оптических свойств, радиационных характеристик и лучистого теплообмена имеет большое практическое значение и области применения:

1. Тепловые и энергетические исследования действующих и новых энергетических установок (оценка рабочей эффективности, создание теплозащиты стенок камер сгорания, диагностика и регулирование режимов работы с целью повышения производительности установок и износоустойчивости элементов конструкций).

2. Исследование спектрального состава теплового излучения факела ракетных и авиационных двигателей (селекция и идентификация летательных аппаратов по характеристикам излучения и наведение на них зенитных управляемых ракет по тепловому излучению факела).

3. Метрологические исследования (корректная интерпретация экспериментальных результатов, полученных спектро- и радиометрическими приборами, планирование и прогнозирование результатов физического эксперимента, установление наиболее значимых параметров, влияющих на результаты эксперимента).

4. Решение обратных задач (прогнозирование исходных параметров, начальных и граничных условий для достижения желаемых конечных результатов).

Следует выделить существующие недостатки в расчетных и экспериментальных исследованиях радиационных характеристик и теплового излучения гетерогенных продуктов сгорания.

В некоторых случаях указывается неполный перечень входных параметров. Поэтому, отсутствует возможность корректной интерпретации полученных результатов, а эксперимент не может быть воспроизведен.

Методы вычислительного эксперимента позволяют восстанавливать интересующий параметр с учетом нацеленности на конечный результат. Однако при отсутствии двух и более параметров возникает полная неопределенность в расчетах радиационных характеристик и теплового излучения продуктов сгорания.

Недостаточное исследование спектральных особенностей излучения и применение серого приближения не позволяет проанализировать совместное и отдельное влияние газовой и конденсированной фаз продуктов сгорания на процессы передачи тепла. Учет спектральных диапазонов важнейших излучателей основных компонентов газовой и конденсированной фаз позволяет настроить измерительную аппаратуру с учетом особенностей излучения.

Недостаток исходных данных по оптическим свойствам, дисперсности, радиационным характеристикам создает проблему при компьютерной реализации процессов лучистого теплообмена в энергетических установках. При отработке методик численного моделирования радиационных характеристик и теплового излучения возникает проблема интерпретации результатов с установлением адекватности исследуемым условиям. Для спектро- и радиометрической аппаратуры, работающей с потоками излучающих и рассеивающих гетерогенных продуктов сгорания, необходимо знать области, характер и величину влияния определяющих параметров на измеряемые характеристики.

Объекты исследования: moho- и полидисперсные системы, продукты сгорания энерготехнологических агрегатов, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

(г. Миасс) рекомендовано опубликовать научный обзор по профилю диссертации в серии «Материалы Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий» для передачи в заинтересованные НИИ, КБ и предприятия для практического использования.

На защиту выносятся:

г.Кемерово); Всероссийская научно-техническая конференция «Общество -наука - инновации», 2010, 2011 гг. (ВятГУ, г.Киров); III и IV Международная научно-практическая конференция «Наука - Технология -Ресурсосбережение», 2010, 2011 гг. (Вятская ГСХА, г.Киров); Пятая российская национальная конференция по теплообмену, 2010 г. (МЭИ, г.Москва); XVIII и XIX Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения», 2010, 2011 гг. (КГТУ им. А.Н.Туполева, г.Казань); XXXI Всероссийская конференция «Наука и технологии», 2011 г. (МСНТ, г.Миасс Челябинской обл.).

По результатам Международной молодежной научной конференции «XVIII Туполевские чтения» получен диплом II степени за высокий научный уровень представленного доклада. По итогам XXXI Всероссийской конференции «Наука и технологии» выдано заключение Межрегионального совета по науке и технологиям о признании полученных научных результатов в качестве основы для подготовки и последующей защиты диссертации.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ. Из них 2 статьи в журнале, входящем в перечень ВАК и 13 статей в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций.

Диссертация имеет следующую структуру.

Во второй главе проведен анализ основных факторов, определяющих радиационные характеристики продуктов сгорания энергетических установок. Выполнено методическое исследование температурного интервала и спектрального диапазона для нахождения доли учитываемого излучения в заданном интервале длин волн при известной температуре.

Проведено создание банка данных по оптическим свойствам, дисперсности частиц конденсата продуктов сгорания различных энергетических установок, включающих промышленные энерготехнологические агрегаты, модельные ракетные двигатели, дизели и газодизели. Собраны, систематизированы и представлены в аналитическом виде литературные данные по оптическим свойствам, дисперсности зольных и пылевых частиц, частиц оксида алюминия и частиц сажи.

В третьей главе разработана мет