Нестационарное взаимодействие горящей капли с пульсационным потоком газа в цилиндрической трубе

Кочнева, Оксана Сергеевна

Нестационарное взаимодействие горящей капли с пульсационным потоком газа в цилиндрической трубе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Кочнева, Оксана Сергеевна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Нестационарное взаимодействие горящей капли с пульсационным потоком газа в цилиндрической трубе»

Автореферат диссертации на тему "Нестационарное взаимодействие горящей капли с пульсационным потоком газа в цилиндрической трубе"

Направахрукописи

КОЧНЕВА ОКСАНА СЕРГЕЕВНА

НЕСТАЦИОНАРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГОРЯЩЕЙ КАПЛИ С ПУЛЬСАЦИОННЫМ ПОТОКОМ ГАЗА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЕ

Специальность: 01.04.14 - «Теплофизика и теоретическая

теплотехника»

Автореферат

Казань-2004г.

Диссертация выполнена на кафедре «Теоретических основ теплотехники» Казанского государственного энергетического университета.

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Сахабутдинов Жавдат Мирсаяпович доктор физико-математических наук, профессор Шешуков Евгений Геннадиевич;

кандидат технических наук, дрцент Ягофаров Олег Хуснуллович.

Ведущая организация:

Институт механики и машиностроения КНЦ РАН

Защита состоится «18» июня 2004 г. в 14 часов в аудитории А-304 на заседании Диссертационного совета Д212.082.02 в Казанском государственном энергетическом университете.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 420066, Казань, ул. Красносельская д.51, Ученый совет КГЭУ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГЭУ.

Автореферат разослан «18» мая 2004 г.

Гильфанов К.Х.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последние годы проблема возбуждения акустических колебаний в газовом столбе, в котором происходит горение, стала весьма злободневной. Это связано с тем, что ряд практически важных задач, связанных с созданием высокофорсированных камер сгорания, не может быть решен без тщательного анализа явления. Указанное обстоятельство находит свое отражение в большом количестве статей, публикуемых в научных изданиях. Эти работы посвящены главным образом вопросам возбуждения неустойчивости в ракетных двигателях, и имеют сравнительно узкую сферу приложения. В то же время известно, что аналогичные явления наблюдаются в промышленных топках, экспериментальных установках для изучения процессов сгорания, в ряде физических экспериментов (трубка Рийке) и т.п. Поэтому назрела необходимость в более общем, чем обычно, рассмотрении проблемы возбуждения акустических колебаний теплоподводом (в частности горением). Создание высокофорсированных топок сопряжено с рядом трудностей. Одной из них является борьба с высокочастотными колебаниями, возникающими в камере сгорания. Эти колебания могут существенно нарушать процесс горения и приводить к разрушению конструктивных элементов топки или двигателя. С другой стороны, известно, что ряд опытов, поставленных на промышленных топках, показал большую перспективность создания топок, в которых вибрационное горение является нормальным режимом горения. Реализация таких режимов сулит большие выгоды в части увеличения теплонапряженности

В обсуждаемой работе рассматриваются:

1. Характер распространения акустических возмущений в одномерном течении, в котором выделяются две характерные зоны: «холодная» и «горячая».

2. Общий метод решения, который позволяет «склеивать» одномерные процессы слева и справа от зоны горения.

Зная закономерности распространения акустических возмущений в одномерном течении газа и умея сводить сложный процесс в зоне горения к некоторому фиктивному процессу в сечении, разделяющем «холодную» и «горячую» части течения, в работе используется известный математический аппарат для исследования задачи такого типа. Тема исследования остается актуальной. Целью данной работы является следующее:

1. На основе общих уравнений механики сплошной среды выбрать приближенную модель нестационарного взаимодействия горящей капли с акустическим потоком газа в трубе.

2. Дать анализ границ применимости выбранной математической модели.

3. Разработать методику решения записанной системы нелинейных уравнений газовой динамики с учетом явления передачи теплоты.

4. Приложение разработанной модели к расчету процессов в камере сгорания. Сравнение расчетов с данными экспериментов.

ТОПОК.

Научная новизна.

На основе полученной математической модели разработана практическая методика, позволяющая оптимизировать процесс горения в цилиндрической трубе за счет варьирования геометрических и термодинамических параметров задачи.

Достоверность.

Правильность выбора модели - адекватность ее физической картины - может определяться внутренней непротиворечивостью выводов и соответствием с экспериментом.

Практическая ценность.

Ценность результатов работы заключается в том, что полученные в диссертации могут быть использованы:

1. Для оптимизации работы существующей модельной установки;

2. Для проведения оценочных расчетов новых конструкторских разработок установок для сжигания жидких отходов.

Автор защищает математическую модель и методику численного исследования нестационарного взаимодействия испаряющихся паров топлива с пульсационным потоком газа в открытой с двух концов цилиндрической трубе; результаты расчетов по предлагаемой методике, позволяющие определить границы устойчивого поддержания процесса горения в зависимости от геометрических и термодинамических параметров задачи.

Личное участие. Все основные результаты работы получены лично автором под научным руководством д. ф-м.н., профессора Сахабутдинова Ж.М.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 2002; VII аспирантско-магистерском семинаре КГЭУ, Казань, 2003; Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казань, 2003; XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», Рыбинск, 2003; III Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники», Киев, 2003; Одиннадцатой международной конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 2004.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем работы. Диссертация изложена на 125 страницах и состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения, списка литературы из 53 наименований. Иллюстрационный материал содержит 36 рисунков и 3 таблицы. •

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая цен-

ность работы. Здесь же дается краткий обзор работ, непосредственно примыкающих к теме рассматриваемой проблемы.

В первой главе излагаются два подхода к изучению колебаний в длинной цилиндрической трубе. В первом из них рассматриваемая область условно делится на «холодную» и «горячую» зоны, которые связываются между собой термодинамическими параметрами. На поверхности разрыва областей на основе законов сохранения формулируются - дополнительные условия «сшивания решений». Для другого подхода задается распределение теплоты по всей длине трубы, однако конкретный вид его зависит от реальной задачи. В этом варианте не вводится сечение разрыва, решение отыскивается сразу во всей области.

Во второй главе в первом параграфе рассмотрено горение капли горючего в атмосфере газообразного окислителя. Во многих случаях, когда среднее расстояние между каплями достаточно велико, процесс можно рассматривать как горение одиночной капли. При упрощении основной системы уравнений для идеальной многокомпонентной газовой динамики не учитываются следующие эффекты: влияние массовых сил; термодиффузия; появление диффузионных скоростей за счет градиентов температуры; бародиффузия; излучение. Система уравнений для решения стационарных диффузионных задач теории горения при принятых допущениях имеет достаточно простой вид:

адг г 0 при где функции /"(х) определяется так, чтобы /г(хи,)<0 и

р, = у}). Здесь У( - кислород, У2 - инертные газы, Ун - газ,

окружающий горящую каплю, Ур - продукты сгорания. Второе уравнение системы (1) справедливо для Т, так как при Ье = 1 в уравнении неразрывности имеет место подобие относительно неизвестных У1 и £рТ. Решение рассмотренной системы представлено в последнем параграфе этой главы. Условие чисто диффузионного ре

жима горения позволяют найти в аналитической форме распределение концентраций, температуры, средней теплоемкости в газе, окружающем каплю. На рис.1 в качестве примера построены графики распределения концентраций и температуры для модельной задачи горения капли этилового спирта в атмосфере воздуха при нормальных условиях.

'о Г.

Рис. 1. Распределение концентраций и температуры для задачи горения капли этилового спирта в атмосфере воздуха при нормальных условиях.

СоЧ

(4)

В нагретой газовой смеси происходит прогрев и испарение распыленных капель Для приближенного описания массообмена используется схема приведенной пленки. Во втором параграфе второй главы рассматривается математическая модель движения жидких частиц в потоке газа.

Для каждой капли имеем дифференциальное уравнение движения

В правой части (2) выписаны основные силы, действующие со стороны несущей газовой смеси на каплю. Коэффициент Бр в общем случае зависит от многих факторов. На основе анализа решений уравнений, и по результатам обработки данных опытов в научной литетатуое используется приближенное выражение:

Эр = 6пц8г + 1/2лг2РСд|У£ - хр\. (3)

Первое слагаемое в (3) представляет собой сопротивление Стокса, оно учитывается при малых значениях числа Ле. Второе слагаемое справедливо при больших значениях числа И.е. Через Ср обозначено аэродинамическое сопротивление, которое задается эмпирически. В зависимости от границ изменения числа Рейнольдса оно берется в виде:

для И.е< 1000,

[0,424, для Яе> 1000.

В третьей главе в первом параграфе рассматривается цилиндрическая труба длины Ь. диаметра й. причем ё « Ь. Ось трубы 0£ наклонена к горизонту под углом а.

В сечении % — имеется тепло-подвод шириной ст. Схема трубы и положение капли представлены на рис.2.

Тепловой источник ширины ст является акустическим препятствием, делящим течение на две зоны. Движение газа описывается в акустическом приближении. Переменные р ир представляются в виде суммы средних значений и малых возмущений.

После пренебрежения величинами второго порядка малости и введения потенциала скорости течение газа в каждой из зон удовлетворяет волновому уравнению

а2Ф,/а2-с;2э2ф,М2=о, (/=1,2). (5)

Граничные условия на открытых концах трубы имеют вид

Р1 = О, Р2 дФгЩ^ь = 0. (6)

Начальные значения потенциалов скоростей в первой и второй зонах считаем нулевыми Ф,(5,0) = 0, (| = 1,2). (7)

Рис. 2. Схема трубы.

Решения Ф^,*) и Ф2(4>') слева и справа от теплового источника стыкуются условиями

=хР2бФ2/5^=Л1+0, р,аФ1/^=А =Р2/0+т1)аФ2/а^=11+а,(8)

где 0 < х < 1 • Условия (8) отражают законы сохранения массы и импульса при прохождении сечения теплового источника. Коэффициент Г) отражает дополнительный приток массы газа в сечении \ = + ст. Условия стыковки будут выполнены только в том случае, если волновые числа ^ п и ¿2,п в отдельных подобластях связаны соотношениями А|>и 'С1 = А2,п = где /п - частота собственных колебаний. В соответствии с (8) волновое число ¿2 определяется из решения нелинейного уравнения

Ж'яЬМ^Ф х/(1 + лМ((й + -ОЫ) (9)

Решения уравнения (5) с учетом начальных и граничных условий (6) - (8) для возмущенных значений скорости и давления для «горячей» зоны имеют вид

М&Ь Ртах,Ц1 ~

Объемное содержание реагирующих ,капель в газе полагается малым, воздействием со стороны капли на газ пренебрегается. Во втором параграфе третьей главы рассматривается аэродинамическое взаимодействие реагирующей капли с газом. В проекции на неподвижные оси координат уравнения движение капли (2) имеег вид

д»рх ¡Л = Ар /я2 • (1 + 0.15 Яе° 687 сги а - ур х ] 1

где

В третьем параграфе описывается прогрев и испарение капель. Изменение диаметра капли определяется из уравнения сохранения потока массы капли

Теплота, передаваемая капле от газа, представляется в виде () = ХАНрр д/4 О •

Система уравнений движения капли (10) совместно с уравнением испарения капли (11) решались численно методом конечных разностей. При заданных геометрических параметрах и % = 0.05, Г) = 0.3 и замеренных значениях Ту = 293К, 7"2 = 1025К, значения &2 = 0.8661м*1 получается из решения уравнения (9), а из уравнения состояния ртахЛ2 = 2521Па.

На рис. 3 представлены изменения модуля скорости капли в зависимости от безразмерного времени 0. На рис. 4 представлены изменения скорости тепловыделения в зависимости от безразмерного времени

Важное значение для организации процесса горения играет анализ движения капли в цилиндрической трубе. Касание стенок трубы каплей замедляет процесс горения. На рис. 5 представлены траектории капли в плоскости хр,0 = Ур,0 = 0-484 м). На каплю постоянно действует сила тяжести. Поэтому даже

при нулевом значении начальной скорости капля достигает стенки трубы. Для модуля начальной скорости ¡^д)] = 1 м/с и (5 = 0 капля задевает стенки цилиндра. Если при

этой же начальной скорости угол Р ¡> Зб", то капля не достигает твердых стенок области. Приведенный анализ позволяет для заданной форсунки подобрать оптимальный угол ее наклона к оси трубки

Рис. 3. Изменение модуля скорости капли при начальной скорости

висимости от безразмерного времени для различных значений диаметра.

Рис. 4. Скорость тепловыделения капли при в зависимости от

безразмерного времени для различных значений диаметра.

Из рис. б можно судить о времени жизни капли Ц) = 700 мкм в зависимости от разных значений начальной скорости. Увеличение величины ^р.о] интенсифицирует

взаимодействие капли с потоком и сокращает время ее жизни.

На рис. 7 приведено сравнение теоретических и экспериментальных эпюр абсолютных значений амплитуд стоячей волны давления. Как видно из диаграммы, опытные точки достаточно хорошо следуют за теоретической зависимостью. Отличие экспериментальных данных на концах трубы от нуля объясняется тем, что колебательный процесс у открытого конца трубы всегда вызывает рассеивание акустической энергии в окружающем пространстве.

Рис. 7. Сравнение теоретических и экспериментальных эпюр стоячих волн давления.

В четвертой главе в первом параграфе рассматривается модель одномерного течения с учетом явления теплопроводности. Уравнение тепловой энергии содержит дополнительное слагаемое которое не позволяет изолированно решать урав-

нения сохранения массы и импульса от уравнения энергии, система уравнений становится сильно взаимосвязанной. Заметим, что источник энергии Q в уравнении сохранения энергии, в этом подходе не имеет прямого отношения к реальному внутреннему источнику. Он здесь используется для математического моделирования процесса поддержания продольных колебаний газа в трубе. Переходя в записанной в первой главе системе уравнений к безразмерным величинам и сохраняя только линейные слагаемые, получим основное уравнение для потенциала скорости

Остальные искомые величины выражаются через фи 0, и = 5ф/сЬс;

Особенность уравнений (12)—(13) для задач горения состоит в том, что конкретный вид заранее неизвестен. Во втором параграфе четвертой главы описывается модель горения. Различают подвод теплоты в точках, неподвижных относительно стенок трубы и подвод теплоты на подвижной поверхности. Эти два варианта различаются как локальная и конвективная модели подвода теплоты. Явное представление для зависит от большого числа режимных и конструктивных параметров, фигурирующих в расчетной модели. На устойчивость процесса горения влияют время запаздывания тепловыделения, качество распыла топлива полнота сгорания топлива, коэффициент избытка воздуха и т. п. Здесь рассматривается только один механизм поддержания колебаний столба газа за счет линейной связи между возмущениями теплоты и возникающими в трубе продольными скоростями. Возму щенное значение теплоты представляется в виде дает распределение подведенной теплоты по длине трубы, а определяет амплитуду возмущения. Связь между £ и и в общем случае представляется в виде

- линейные дифференциальные операторы, зависящие от времени. Величина У в данной работе далее полагается постоянной.

Локальная модель Решение системы, имеющие гармонический характер отыскивается в виде д(х,1)= <)(х)е1С!>', и{х,1) = и{х)ет'. Линейная связь между возмущениями теплоты и скорости представляется в виде Ц — У /(со) й, /(со) = Iн (со) +¡11 (со), где /(со) - комплексное число. В случае локальной модели дг = Уг/(/ — т), /д=со5(сот)и //=—^/«(сот).

Конвективная модель. Более сложное соотношение между теплотой и скоростью задается в конвективной модели горения. В этом случае теплота удовлетворяет уравнению дд/д1 + ис{х,()дд/дх = 0,д(х5,1)~д!, где ис - заданная конвективная скорость (она отличается от скорости частиц газа), х3 - координата источника теп-лоподвода. В соответствии с этой моделью все параметры вниз по течению от сечения х>х5 определяются конвективной составляющей скорости, Модель наиболее приспособлена к процессам, в которых протекают химические реакции.

В третьем параграфе отыскивается решение уравнения (13) виде суммы:

ФМ= ¿/«('кяМ; 9М= ^«('УмМ или <?,(*,/)= (14)

Здесь функции \|/я(ос) являются решением однородного уравнения =0,

где - квадрат собственной частоты, связанный с акустической задачей для трубы, а являются собственными функциями, удовлетворяющими условиям ор-тонормировки. В случае открытых концов трубы функция имеет вид У„(х) = 42вт(£1пх) и С1п= яи(л=1, 2, 3, ...)• Система уравнений для определения амплитуд /п(1) находится методом Галеркина. После подстановки (14) в уравнения (12) и интегрирования от х = 0 до х = 1 имеем

где соответствующие выражения в случае локального и конвективного способов передачи теплоты имеют вид

Система уравнений (15) в общем случае является взаимосвязанной. Для сложной функции вычисление соответствующих интегралов возможно только численно.

Для приближенного исследования задачи устойчивости взаимодействиями между модами колебаний пренебрегаем. В результате такого упрощения можно проанализировать устойчивость решения уравнения (15) по отношению к геометрическим и термодинамическим параметрам задачи. Гармоническое решение отыскивается в виде - постоянные величины. Величина Юл является комплексной частотой, по реальной части которой можно судить об устойчивости решения дифференциального уравнения (15). С учетом принятых допущений, получим

К-ЯлХсоп+П„)=(у-1)ГЯпп /(«„), (16)

где выражения для коэффициентов Бпп в случае локальной и конвективной моделей подвода теплоты равны соответственно

от = или

Последнее слагаемое в (16) трактуется как величина второго порядка малости. В этом случае предлагается процедура последовательных приближений для определения (йп. В первом приближении получим С0Я = . Второе приближение для комплексной частоты (0п получается в результате подстановки первого

приближения в правую часть (16) и приравнивания коэффициентов реальной и мнимой частей:

«„ = П„ + (у- 1)Г/2П„[Ой(П„/д(Ои)- Ол„и//М. (17)

Си (18)

В четвертом параграфе приводится вывод декремента затухания для конвективной модели в случае треугольного импульса. В последнем параграфе анализируются результаты расчетов. Рассматривается случай, когда распределенная теплота по длине трубы задается в форме трапеции

С (*) - еь{(* - »-О- н(х - х2)]/(х2 - н{х - х2)-

-Н(х-Х3)+(\ 4 - *)[//(* - Х3 )- /ф - Х4 )1/(Х4 - Х3 )}, (19)

где (?о> — заданные константы, причем X1<X2<X3<X4. Зона подвода

теплоты располагается в интервале А.} <х< Х4. Придавая разные значения X, в (19), можно получить распределение теплоты по длине трубы в виде треугольного, прямоугольного либо сосредоточенного импульса. Выражение для коэффициента в случае локальной модели имеет вид:

С. =-^еоГ,я>г(а1)Ып1(Х2 +

+ + (20)

Выражение (20) определяет величину и знак коэффициента затухания в зависимости от геометрических параметров задачи и от выбранного закона подвода теплоты. Из соотношения (17) можно найти поправку к частоте колебаний столба газа. На рисунках 8-11 представлены результаты расчетов по формуле (20). На них дано изменение коэффициента в зависимости от ширины верхнего среза импульса Х3 — Х2, при этом параметры Х{ И Х4 постоянными. Д Х^ = 0.9 и при Х3 -Х2 = 0.01 (рис.8) условие устойчивости выполняется при Х2 ^0.55. С увеличением разницы Х3 —Х2 = 0.1; 0.2 и 0.5 (последовательно рисунки 9, 10 и 11) значения Х2, которым соответствует устойчивое поведение газа (£^>0), смещаются влево и принимают значения Х2 = 0.48,0.42 и 0.27 соответственно.

Формы зависимости теплоты Q от координаты в рассматриваемом случае для Х4 = 0.9 представлены на рисунках 12-15. Из анализа этих рисунков видно, что увеличение площади между ломанной и осью 0л расширяет границы устойчивости ко-

лебаний столба газа по координате Я.2. С уменьшением максимального значения до 0,8 уменьшается и соответствующая площадь под кривой теплоты (рис. 16-19).

Рис. 8. Коэффициент затухания колеба- Рис. 9. Коэффициент затухания колебаний для локальной модели при А.} =0.0 и ний для локальной модели при =0.0 и

Х3-Л.2=0.01.

Рис. 10. Коэффициент затухания колеба- Рис. 11. Коэффициент затухания коле-ний для локальной модели при Х} =0.0 и баний для локальной модели при X) =0.0 А,3-Х2.=0.2. и Х3-Х.2=0.5.

Рис. 14. ^-2=0.42, Х3=0.62, А.4=0.9. Рис.15. 7.2=0.26, Х3=0.76, Я.4=0.9.

Для Х3 — Х-2=0.5 устойчивый вариант процесса поддерживается при ¿0.28. Правая граница теилоиодвода в этом варианте становится практически вертикальной (Я-з « Х4) (рис. 19).

В пятой главе приводятся сравнения результатов теоретических расчетов с данными натурных экспериментов. Предложенная методика использовалась для определения устойчивой работы двухступенчатой камеры пульсирующего горения. В первом параграфе приводится описание самой установки и методика проведения испытаний. Опыты показали, что истекающая из инициирующей камеры пульсирующая газотопливная смесь во втором контуре генерирует вынужденные резонансные колебания. После поджига газотопливной смеси акустические колебания усиливаются, что приводит к интенсификации горения, в полости трубы образуется огненный факел. Опыты проводились на трубе длиной 2.5м и диаметром 0,26м, режим работы инициирующей камеры в ходе опытов не менялся (частота колебаний 80 Гц). Факел пламени имел прозрачную структуру и голубоватый оттенок. Длина факела в зависимости от массы сжигаемого топлива менялась. В самом факеле измерялась температура газов. По измеренным значениям строилось температурное поле факела. Замечено, что температурное поле имеет форму трапеции. При перемещении факела в первую половину трубы чётко выраженного колебательного процесса не было замечено. Наблюдается неустойчивый режим пульсационного горения, т.е. частота колебаний «прыгает» с одной гармоники на другую. Об этом свидетельствует характер акустического сигнала, записанного во втором контуре. При этом периодически меняются как размеры факела, так и цвет пламени. Картина стабилизируется, когда срез резонансной трубы инициирующей камеры устанавливается во второй половине цилиндрической трубы. Сигнал, поступающий с датчика пульсаций давления, имеет периодический характер. На спектрограмме отчетливо видны явно выраженные пики. Поддерживается устойчивый колебательный процесс и в инициирующей камере. Для обеспечения стабильных параметров камеры горения в режиме пульсаций необ-

ходимо знать область устойчивости колебательного процесса. Во втором параграфе приводится сравнение теоретических значений границ устойчивости процесса горения с результатами экспериментов. Конструкция установки позволяет экспериментально исследовать устойчивость колебаний только в отдельных точках этой зоны. Отыскание этой зоны опытным путём представляет большие трудности, связанные с большими затратами времени и средств. На рис. 20 в качестве примера приведена область устойчивости, построенная на основе результатов эксперимента. При приближении факела к выходному срезу трубы граница устойчивости расширяется. Увеличение области устойчивости колебательного процесса наблюдается с увеличением длины факела. При коротком факеле устойчивые колебания удаётся достичь только ближе к выходному срезу цилиндрической трубы. Исследование устойчиво -сти колебательного процесса в широких пределах изменения различных параметров, определяющих работу камеры возможно на основе теоретических методов. Аналитические решения получены для разных условий возникновения колебательного процесса в трубе, в том числе для условий, при которых устойчивость процесса исследовалась экспериментально. Факел пламени задавался в виде трапеции. Длину

факела характеризует величина параметр показывает удалённость факела пламени от переднего конца трубы. На границу устойчивости существенное влияние оказывает также длина участка теплоподвода, зависящая от расходных характеристик и соотношения количества жидкого горючего и воздуха. Предложенная математическая модель решения задачи устойчивости адекватно отражает реальные процессы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе предлагаются два подхода для анализа задач горения в длинной цилиндрической трубе. Первый подход ориентирован для задач, в которых зону подвода теплоты можно заменить сечением, в котором «связываются» параметры слева и справа от теплоподвода. Во втором подходе используется непрерывная модель газового течения с распределенным по длине трубы подводом теплоты. Второй подход больше ориентирован для задач с исследования задач устойчивости.

2. Изложенная во второй главе математическая модель позволяет рассматривать более сложные модели рабочего тела - смесь идеальных газов. Для случая гомогенной смеси расписана схема расчетов концентраций отдельных компонентов и параметров смеси в целом, а так же изменение температуры в окрестности пространства испаряющейся капли. По модели приведенной пленки выполнен расчет для этилового спирта. Приведенные результаты полностью согласуются с известными результатами других авторов.

ОН-,--

ООО 0.25 0 50 0.75 1.00 J/L

Рис. 2Q Область устойчивости чисел Струха-ля в зависимости от безразмерной длины трубы.

диаметра капли, ее положения и скорости на время «жизнь» капли, на длину факела. Приведенная методика позволяет подобрать такие значения геометрических и термодинамических параметров трубы, которые были бы оптимальны для рабочего процесса горения жидкого топлива.

4. В работе рассмотрены вопросы возбуждения акустических колебаний газа в длинной цилиндрической трубе при наличии внутренних источников теплоты. Подвод теплоты моделируется заданием распределенной объемом теплоты по длине трубы. Различаются два способа математического описания процесса горения - локальная и конвективная модели. Перечисленные варианты охватывают широкий круг практических задач, в которых геометрические характеристики и термодинамические показатели влияют на выбор модели. Анализ вопросов устойчивости движения газа приведен в случае пренебрежения взаимодействием между модами колебаний. Для некоторых форм задания подвода теплоты получены аналитические выражения для декремента затухания колебаний. Приведенное решение обобщает ранее опубликованные результаты.

5. Для конкретных геометрических параметров реальной установки были рассчитаны теоретические значения параметров устойчивого горения. Была проведена серия натуральных экспериментов, в которых варьировалось положение зоны подвода теплоты. Все экспериментальные точки полностью находились в зоне устойчивого горения; что говорило о качественном и количественном согласии теоретического анализа и результатов натуральных испытаний- Такой вывод позволяет говорить о достоверности предлагаемой методики, о возможности ее использования оценочных расчетов перспективных камер сгорания.

Содержание работы изложено в следующих опубликованных работах:

1.Сахабутдинов Ж.М., Кочнева О.С. Численное моделирование нестационарных пространственных явлений в газовом пузырьке// Матер, докл. Всероссийской школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы темломасообмена и гидродинамики в энерма-шиностроении». Казань: КГЭУ, 2002. С.44-45.

2.Сахабутдинов Ж.М., Кочнева О. С. Исследование нестационарного взаимодействия горящей капли с акустическим потоком газа в трубке// Матер, докл. XV Все-росс. межвуз. науч. - тех. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Казань: КФВАУ, 2003. Часть2. С. 167-168.

3.Сахабутдинов Ж.М., Кочнева О.С. Численное моделирование эффектов нестационарного взаимодействия горящей капли с акустическим потоком газа в трубке// Тр. XIV Школы - семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». Рыбинск: РГАТА, 2003. Том 1. С. 309-312.

4.Сахабутдинов Ж.М., Кочнева О.С, Павлов Г.И. Устойчивость термически возбуждаемых пульсационных колебаний газа в цилиндрической трубе// Матер, докл. III Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники». Киев, 2003. С. 437-440.

•íOíAi.

: yeroHHHBofcTiVrqlM*

5.Сахабутдинов Ж.М., Кочнева О.С., Павлов Г.И. Анализ устоичивоСтигге|1лически

возбуждаемых пульсационных колебаний газа в цилиндрической трубе// Тр. одиннадцатой международной конференции «Математика. Компьютер. Образование». Дубна: ОИЯИ, 2004. С. 146.

6.Сахабутдинов Ж.М., Кочнева О.С., Павлов Г.И. Анализ термически возбуждаемых пульсационных колебаний газа в цилиндрической трубе// Известия вузов. Проблемы энергетики. №3-4, 2004. С. 13-26.

7.Сахабутдинов Ж.М., Кочнева О.С., Павлов Г.И. Экспериментально-теоретические исследования нестационарного взаимодействия горящей капли с акустическим потоком газа в трубе// Вестник Казанского технологического университета.

8.Сахабутдинов Ж.М., Кочнева О.С., Павлов Г.И. Исследование устойчивости термически возбуждаемых пульсационных колебаний газа в цилиндрической трубе// Матер, докл. XVI Всеросс межвуз. науч. - тех. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Казань: КФВАУ, 2004. Часть2. С. 101-102.

9. Борисов С.Г., Кочнева О.С., Павлов Г.И. Экспериментальное исследование разрушения струи жидкости в пульсирующей газовой // Матер, докл. XVI Всеросс. межвуз. науч. - тех. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Казань: КФВАУ, 2004. Часть2. С.103-104.

Изд. лиц. №00743 от 28.08.2000 г. Подписано к печати 13.05.2004 г. Гарнитура "Times" Вид печати РОМ Физ.печ.л.1.0 Усл.печ.л. 0.94 Тираж 100_Заказ № ¿¿>Z3

Формат 60x84/16 Бумага офсетная Уч.-изд.л 1.0

Типография КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, S1

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Кочнева, Оксана Сергеевна

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ.

1.1. Одномерные уравнения газовой динамики.

1.2. Дифференциальные уравнения газовой динамики.

1.3. Линеаризация уравнений газовой динамики в зоне теплоподвода.

1.4. Свойства плоскости теплоподвода.

ГЛАВА 2. АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАПЕЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ С ГАЗОМ.

2.1. Уравнения многокомпонентной реагирующей смеси газов. Первые интегралы.

2.2. Уравнение движения капли.

2.3. Зависимость радиуса капли от времени.

2.4. Горение капли горючего в газофазном режиме.

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ НЕСТАЦИОНАРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГОРЯЩЕЙ КАПЛИ С АКУСТИЧЕСКИМ ПОТОКОМ ГАЗА В ТРУБЕ.

3.1. Составление и решение характеристического уравнения.

3.2. Аэродинамическое взаимодействие реагирующей капли с газом.

3.3. Испарение капли.

3.4. Неявная схема интегрирования уравнения движения капли.

3.5. Анализ движения капли в трубе.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ УТОЙЧИВОСТИ ТЕРМИЧЕСКИ ВОЗБУЖДАЕМЫХ ПУЛЬСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ

ГАЗА В ЦИЛИНРИЧЕСКОЙ ТРУБЕ.

4.1. Уравнение одномерного течения.

4.2. Модель горения.

4.2.1. Локальная модель.

4.2.2. Конвективная модель.

4.3. Приближенное аналитическое решение.

4.4. Вывод декремента затухания для конвективной модели в случае треугольного импульса.

4.5. Анализ расчетов.

4.5.1. Пример расчета по локальной модели.

4.5.2. Пример расчета по конвективной модели.

ГЛАВА 5. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ С ДАННЫМИ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ.

5.1. Описание экспериментальной установки.

5.1.1 .Средства и методика измерения акустического давления

5.1.2. Средства и методика измерения температуры газов.

5.1.3. Методика проведения экспериментов.

5.2. Сравнение теоретических значений границ устойчивости процесса горения с результатами экспериментов.

Введение диссертация по физике, на тему "Нестационарное взаимодействие горящей капли с пульсационным потоком газа в цилиндрической трубе"

Создание высокофорсированных топок сопряжено с рядом трудностей. Одной из них является борьба с высокочастотными колебаниями, возникающими в камере сгорания. Эти колебания могут существенно нарушать процесс горения и приводить к разрушению конструктивных элементов топки или двигателя. С другой стороны, известно, что ряд опытов, поставленных на промышленных топках, показал большую перспективность создания устройств, в которых вибрационное горение является нормальным режимом горения. Реализация таких режимов сулит большие выгоды в части увеличения тепло напряженности топок.

Чтобы осуществить достаточно широкое рассмотрение задачи, в работе принимаются следующие упрощения:

1. Рассматривается характер распространения акустических возмущений в одномерном течении, в нем выделяются две характерные зоны — «холодная» и «горячая».

2. Дается метод решения, который позволяет «склеивать» одномерные процессы слева и справа от зоны горения, в какой-то мере отображая существенные свойства реального трехмерного процесса горения.

Зная закономерности распространения акустических возмущений в одномерном течении газа и умея сводить сложный процесс в зоне горения к некоторому фиктивному процессу в одном сечении, разделяющем «холодную» и «горячую» части течения, можно использовать сравнительно простой математический аппарат для исследования процесса возбуждения колебаний.

Несмотря на значительные достижения исследователей в решении рассматриваемой здесь проблемы, до сих пор есть трудности в математическом описании сложных режимов горения и в получении решения. Тема исследования остается актуальной.

Ниже приводится краткий обзор журнальных статей за последние годы по теме рассматриваемой работы.

В работе А.Б. Кискина, Э. Вольпе, Л.Т. Де Лука [18] представлены результаты экспериментального исследования зависимости реактивной силы от скорости горения для модельных смесевых топлив.на базе стехиометрической смеси перхлората аммония и полиметилметакрилата. Для исследования влияния диспергирования использовались топлива с добавками А1 либо AI2O3. Вариации скорости горения осуществлялись за счет изменения начальной температуры, давления и внешнего излучения. Сделан вывод, что для определения скорости горения по величине реактивной силы параметры аппроксимирующей зависимости следует определять для каждого вида топлива при конкретных внешних условиях.

При горении конденсированных веществ возникает реактивная сила оттекающих от поверхности горения продуктов газификации. Она непосредственно связана с мгновенной массовой скоростью горения. В работе А.Б. Кискина, В.Н. Симоненко [19] обсуждается специфика регистрации реактивной силы с помощью датчиков различного типа. Анализируется влияние таких факторов, как аппаратурные искажения, переменность параметров внешней среды и неодномерность горения. Делается вывод о предпочтительном использовании методики регистрации реактивной силы для измерения скорости горения с помощью предварительной экспериментальной градуировки и визуального контроля.

В работе В.Н. Корнилова, Е.Н. Кондратьева [21] экспериментально исследовано горение частиц магния и титана в акустически пульсирующем потоке для случая, когда размеры частиц меньше амплитуды смещения газа в акустической волне. Обнаружено увеличение времени горения частиц магния и уменьшение времени горения частиц титана при наложении акустических колебаний. Выявлены характерные особенности колебаний интенсивности светового потока горящей частицы магния как отклика парофазно горящей капли металла на внешнее акустическое воздействие. Предлагается объяснение формы регистрируемых колебаний на основе предположения о срыве фронта пламени с лобовой точки капли. Обсуждаются условия, необходимые для срыва пламени в пульсирующем потоке, а также эффекты, к которым может привести срыв пламени с капли при сжигании распыленных топлив в устройствах пульсирующего горения.

В.В. Заманщиков в работе [12] предлагает упрощенную модель распространения пламени по одиночному капилляру в режиме низких скоростей. В основе модели лежит представление о том, что основные закономерности распространения пламени в режиме низких скоростей определяются потоком тепла по стенке трубки от продуктов сгорания в свежую смесь. Получено качественное согласие с экспериментальными результатами.

В работе В.К. Баева, Д.Ю. Москвичева, А.В. Потапкина [5] экспериментально исследовано влияние резонатора на тяговые характеристики прямоточной камеры сгорания при вибрационном горении водорода. В качестве камеры сгорания использовалась цилиндрическая труба с конфузорным входом. Ось резонатора перпендикулярна оси камеры сгорания. Показано, что тяговые характеристики камеры сгорания зависят от положения резонатора относительно камеры и от линейных размеров резонатора.

На примере природных пламен в работе B.C. Бабкина, И. Вежба, Г.А. Карим [3] с избытком энергии показано, что эти пламена могут существовать в разнообразных системах и режимах горения. Само существование некоторых пламен, таких как ячеистые и спиновые, обусловлено избыточной энергией. Многообразны и механизмы концентрации энергии. Кроме теплообменных процессов — кондукции, конвекции, излучения — концентрация энергии может быть обусловлена массообменными процессами, фазовыми переходами, фильтрацией, сжимаемостью газа и др. Приведенные примеры пламен с искусственно создаваемыми условиями для концентрации энергии демонстрируют широкий спектр возможных приложений этого явления.

В работе В.В. Афанасьева, С.В. Ильина, Н.И. Кидина [2] экспериментально изучены влияние вихреобразования и роль расхода смеси в возбуждении и поддержании автоколебательного режима горения кинетического поющего пламени. Методами голографической интерферометрии и рассеяния установлено, что в пограничном слое у среза горелки периодически зарождаются вихри, которые, взаимодействуя с фронтом пламени, изменяют площадь поверхности пламени и интенсивность тепловыделения. Показано, что основным механизмом обратной связи является периодическое вихреобразование, а появление концентрационных областей возбуждения и «молчания» связано с изменением числа волн, укладывающихся по высоте пламени. Обнаружено, что при горении топливовоздушных смесей, обогащенных кислородом, излучение звуковых колебаний происходит на более высоких гармониках.

В.П. Самсонов в работе [34] исследовал влияние состава смеси пропана с воздухом на самопроизвольно возникающую структуру "опрокинутого" вихревого пламени при горении газа, вдуваемого на нижнюю поверхность пластины, наклоненной относительно горизонта. Установил, что угловая скорость продуктов горения определяется ориентацией вектора скорости вдува газа относительно направления силы тяжести, скоростью в сопле горелки и составом горючей смеси. Показал, что при изменении состава горючей смеси происходит перестройка поля скоростей в вихревой структуре, приводящая к изменению распределений концентраций и температур в пламени. Получены зависимости высоты пламени и полноты сгорания горючей смеси от скорости вдува и содержания пропана.

В работе С.И. Худяева [49] получена прямая связь в виде дифференциального уравнения первого порядка между глубиной фазового превращения (положением фазовой границы) и параметром Франк-Каменецкого, характеризующим интенсивность химического тепловыделения. Как частный случай из этого уравнения следует решение задачи, ранее полученное для цилиндрического и плоскопараллельного реакторов. Наличие устойчивого промежуточного положения межфазной границы обобщено на симметричные области любой (даже дробной) размерности, что, как оказывается, не лишено физического содержания.

В работе Д.В. Воронина [9] численно исследовано возникновение и развитие вязкого, теплопроводного сжимаемого пограничного слоя за фронтом ударной волны в трубе. Изучено также обратное влияние пограничного слоя на невязкое течение в центре трубы. Показано, что для учета влияния стенок трубы на внешний поток необходимо рассчитывать нестационарные пограничные слои, поскольку осреднение потерь по поперечному сечению трубы может быть слишком грубым приближением.

В работе А.П. Бурдукова, В.И. Попова, В.Д. Федосенко [7] предложена методика исследования динамики горения и уноса массы малолетучих частиц то-плив, основанная на синхронном измерении "термометрической" и пирометрической (цветовой) температур. Методика позволяет в широком диапазоне режимных параметров детально изучить временные фазы и массовые скорости горения частиц топлива.

В работе А.В. Старченко, A.M. Бубенчикова, Е.С. Бурлуцкого [46] с использованием моментного подхода и теории взаимодействующих взаимопроникающих континуумов строится математическая модель неизотермических турбулентных течений газовзвеси в каналах. В рамках континуальной модели движения газодисперсной среды подробно анализируется характер взаимодействия частиц со стенкой канала. Эти достигается путем разделения дисперсной фазы монодисперсных твердых частиц на фракции падающих и отраженных частиц. В результате появляется возможность для использования физических граничных условий на стенке канала. Процессы турбулентного переноса описываются с использованием усеченной модели JI. В. Кондратьева, обобщенной на случай присутствия в потоке нескольких фракций частиц. Общая модель процесса тестируется на экспериментальных данных по динамическим характеристикам и теплообмену.

А.Н. Голованов [11] экспериментально исследовал теплообмен струи воздуха со стенкой цилиндрической оболочки при воздействии на процесс звуковых колебаний. Обнаружил, что акустическое поле существенно искажает зависимость числа St от числа Sh. Визуализация картины течения и расчеты показали возможность появления стоячих волн и акустических течений типа Рэ-лея, которые могут трансформировать газодинамические параметры струи и изменять распределение тепловых потоков в стенку.

В работе В.Г. Чернорай, Г.Р. Грек, М.М. Катасонова, В.В. Козлова [50] экспериментально исследовано возникновение и развитие возмущений, порождаемых трехмерной вибрирующей поверхностью в пограничном слое Блазиуса. Опыты проводились в модельном эксперименте, т. е. в контролируемых условиях, где сохранение фазовой информации давало возможность получить обширные и достоверные данные об изучаемом объекте как качественного, так и количественного характера. Вибрации поверхности обеспечивались громкоговорителем, работающим в режиме вдува-отсоса. Детальные термоанемометри-ческие измерения показали, что в случае, когда поверхность совершает колебания низкой частоты малой амплитуды, ниже по потоку вблизи стенки наблюдается пакет возмущений с характеристиками волн Толлмина — Шлихтинга. При увеличении эффективной амплитуды приблизительно в два раза "вдув" приводит к возникновению нового типа возмущений типа "пафф"-структур, имеющих другие характеристики развития в пограничном слое, чем волны Толлмина — Шлихтинга.

A.JI. Тукмаков [47] на основе модели вязкого сжимаемого теплопроводного газа численно исследовал колебания газового столба в закрытой трубе при возбуждении плоским поршнем, перемещающимся по гармоническому закону с амплитудой, сравнимой с длиной резонатора. В результате проведения расчетов обнаружил эффект возникновения высокочастотных колебаний газового столба при фиксированной частоте возбуждения, связанный с повышением собственной частоты системы вследствие роста средней температуры.

В работе Г.В. Кузнецова, А.Е. Ситникова [22] приведены результаты численного моделирования процесса тепломассопереноса в низкотемпературной тепловой трубе с двумя локальными источниками тепловыделения. Получены распределения гидродинамических и термодинамических параметров.

Большой цикл работ за последние два десятилетия был выполнен в институте механики и машиностроения Казанского научного цента РАН. Подробный обзор этих работ приведен в работе [16]. Однако в этом обзоре рассматриваются нелинейные колебания, возбуждаемые в системах, отличающихся от предлагаемых задач.

Целью работы является:

1. На основе общих уравнений сплошной среды выбрать приближенную модель нестационарного взаимодействия горящей капли с акустически потоком газа в трубе.

2. Дать анализ границ применимости выбранной математической модели.

4. Приложение разработанной модели к расчету процессов в модельной камере сгорания. Сравнение расчетов с данными экспериментов.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Автором защищаются следующие основные научные положения: математическая модель и методика численного исследования нестационарного взаимодействия испаряющихся паров топлива с пульсационным потоком газа в открытой с двух концов цилиндрической трубе; результаты расчетов по предлагаемой методике, позволяющие определить границы устойчивого поддержания процесса горения в зависимости от геометрических и термодинамических параметров задачи.

Новизна работы

Достоверность результатов обеспечивается корректностью математической постановки, проведением серии тестовых расчетов, сравнительным анализом результатов расчета с аналитическими и численными данными других авторов.

Практическая значимость работы.

Ценность результатов работы заключается в том, что полученные в диссертации данные могут быть использованы:

1. Для оптимизации работы существующей модельной установки.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на: Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 2002; VII аспирантско— магистерском семинаре КГЭУ, Казань, 2003; Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казань, 2003; XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергеческих установках», Рыбинск, 2003; III Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники», Киев, 2003; Одиннадцатой международной конференции «Математика. Компьютер. Образование», Дубна, 2004.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [6,36-43].

Вклад соавторов заключается в следующем:

Научному руководителю Сахабутдинову Ж.М. принадлежат постановка всех задач и обсуждение результатов расчетов.

Соавтору Павлову Г.И. принадлежит проведение экспериментальных исследований, обсуждение и анализ полученных результатов.

Автору принадлежат постановка рассмотренных с соавторами задач, разработка алгоритмов созданной методики, программ расчета, обсуждение и анализ полученных результатов.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. В работе предлагаются два подхода для анализа задач горения в длинной цилиндрической трубе. Первый подход ориентирован для задач, в которых зону подвода теплоты можно заменить сечением, в котором «связываются» параметры слева и справа от теплоподвода. Во втором подходе используется непрерывная модель газового течения с распределенным по длине трубы подводом теплоты. Второй подход больше ориентирован для исследования задач устойчивости.

3. Приводится теоретическое исследование движения жидкой капли в длинной цилиндрической трубе, в которой возбуждаются периодические акустические колебания столба газа (трубка Рийке). Модель процесса учитывает аэродинамическое взаимодействие капли с газовым потоком, а также взаимосвязанные процессы испарения и горения. В качестве примера рассматриваются капли этилового спирта, которые реагируют с кислородом воздуха. Исследованы влияния начальных значений диаметра капли, ее положения и скорости на время "жизни" капли, на длину факела. Приведенная методика позволяет подобрать такие значения геометрических и термодинамических параметров трубы, которые были бы оптимальны для рабочего процесса горения жидкого топлива.

4. В работе рассмотрены вопросы возбуждения акустических колебаний газа в длинной цилиндрической трубе при наличии внутренних источников теплоты. Подвод теплоты моделируется заданием распределенной объемной теплоты по длине трубы. Различаются два способа математического описания процесса горения — локальная и конвективная модели. Перечисленные варианты охватывают широкий круг практических задач, в которых геометрические характеристики и термодинамические показатели влияют на выбор модели. Анализ вопросов устойчивости движения газа проведен в случае пренебрежения взаимодействием между модами колебаний. Для некоторых форм задания подвода теплоты получены аналитические выражения для декремента затухания колебаний. Приведенное решение обобщает ранее опубликованные результаты.

5. Для конкретных геометрических параметров реальной установки были рассчитаны теоретические значения параметров устойчивого горения. Была проведена серия натурных экспериментов, в которых варьировалось положение зоны подвода теплоты. Все экспериментальные точки полностью находились в зоне устойчивого горения, что говорило о качественном и количественном согласии теоретического анализа и результатов натурных испытаний. Такой вывод позволяет говорить о достоверности предлагаемой методики, о возможности ее использования для оценочных расчетов перспективных камер сгорания.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Кочнева, Оксана Сергеевна, Казань

1. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидродинамика и теплообмен. - М.: Мир, 1990, Т. 1,2, 726 с.

2. Афанасьев В.В., Ильин С. В., Кидин Н. И. О механизме возбуждения поющего пламени на гомогенной смеси // Физика горения и взрыва. 2002. № 4. С. 15-19.

3. Бабкин B.C., Вежба И., Карим Г. А. Явление концентрации энергии в волнах горения // Физика горения и взрыва. 2002. № 1. С. 34-36.

4. Бабкин Ю.Л.Камеры пульсирующего горения как топочные устройства паровых котлов. «Теплоэнергетика», 1965, № 9.

5. Баев В.К., Москвичев Д.Ю., Потапкин А.В. Управление тяговыми характеристиками прямоточной камеры сгорания пульсирующего горения с помощью акустических резонаторов // Физика горения и взрыва. 2000. № 5. С. 45-47.

6. Бурдуков А. П., Попов В. И., Федосенко В. Д. Исследование динамики горения частиц малолетучих топлив на основе измерения "термометрической" и цветовой температуры. //Физика горения и взрыва. 1999. № 5. С. 67-69.

7. Вильяме Ф. А. Теория горения. М:, Наука, 1971.

8. Воронин Д.В. Моделирование возбуждения газовой детонацией ударных волн в трубах // Физика горения и взрыва. 1999. № 2. С. 12-16.

9. Ю.Годунов С.К. Уравнения математической физики.-М.: Наука, 1971,416 с.

10. П .Голованов А. Н. Теплообмен струи газа и стенки в неизобарических условиях в присутствии акустического поля. //Теплофизика и аэромеханика. 2000. №1. С.79-84.

11. Дегтярев Г.Л. Об устойчивости стационарных состояний в реагирующей системе / Тр. Казанск. авиационного ин-та. 1969. - Вып. 109. - С. 23-32.13.3амащиков В.В. О горении газа в узкой трубке// Физика горения и взрыва. 2000. №2. С. 13-17.

12. М.Зверев И. Н., Смирнов Н. Н. Газодинамика горения. М:, Издательство МГУ, 1987г., с. 308.

13. Иванова Г.М. и др. Теплотехнические измерения и приборы. Учебник для вузов/Г.М.Иванова, Н.Д.Кузнецов, В.С.Чистяков.-М.: Энергоатомиздат, 1984, -232 с.

14. Ильгамов М.А., Зарипов Р.Г., Галиуллин Р.Г., Репин В.В. Нелинейные колебания газа в трубе. Казань.: Полиграф, комбинат им. К.Якуба, 1995, —215 с.

15. Кацнельсон Б.В., Таракановский А.А. Исследование сжигания жидкого то-лива в пульсирующем потоке // Высокофорсированные огневые процессы. М. Л.:Энергия, 1967. С.264-282.

16. Кискин А.Б., Вольпе Э., JI. Т. Де Лука. Экспериментальное изучение зависимости реактивной силы от скорости горения // Физика горения и взрыва. 2000. №1. С. 32-34.

17. Кискин А.Б. , Симоненко В.Н. Особенности применения метода регистрации реактивной силы для измерения нестационарной скорости горения // Физика горения и взрыва. 2000. № 1. С. 25-27.

18. Кнорре и др.Теория топочных процессов.М. -Л., Изд-во «Энергия», 1966,491 с.

19. Корнилов В.Н., Кондратьев Е.Н. Влияние срыва пламени на горение малых частиц в акустически пульсирующем потоке // Физика горения и взрыва. 2000. №2. С. 29-31.

20. Кузнецов Г.В., Ситников А.Е. Исследование процесса тепломассопереноса в низкотемпературной тепловой трубе //Теплофизика и аэромеханика. 2003. №1 . С.79-86.23Лапин Ю.В., Стрелец М.Х. Внутренние течения газовых смесей.-М.:Наука, 1989.-368 с.

21. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа.-М.: Наука, 1987, 848 с.

22. Натанзон М.С. Неустойчивость горения. М.: Машиностроение, 1986. 248 с.

23. Неустойчивость горения ЖРД /Под ред. Д.Т.Харье и Ф.Г.Рирдона М.: Мир, 1975, 872 с.

24. Нигматуллин Р. И. Основы механики гетерогенных сред. М:, Наука, 1978 г., С. 336.

25. Нигматуллин Р. И. Динамика многофазных сред. М:, Наука, т. 1, 1987 г., С. 464.

26. Павлов Г.И., Вишнёв И.Ц., Кочергин А.В. Сжигает отходы и нагревает воду без дыма и без пыли. Российский специализированный журнал «Энерго», № 1,2001, С.44-47.

27. Подымов В.Н., Северянин B.C., Щелоков Я.М. Прикладные исследования вибрационного горения. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1978. 219 с.

28. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение. М.: ГИФМЛ, 1961. 500 с.

29. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. М.: Наука, 1980. - 352 с.

30. Самсонов В. П. Влияние состава горючей смеси на вихревую структуру пламени // Физика горения и взрыва. 2003. № 3. С. 23-26.

31. Сахабутдинов Ж.М. Анализ дискретных моделей движения точки. Казань. Полиграф, комбинат им. К.Якуба. 1995. с. 196.

32. Сахабутдинов Ж.М., Кочнева О.С., Павлов Г.И. Устойчивость термически возбуждаемых пульсационных колебаний газа в цилиндрической трубе// Матер, докл. III Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники». Киев, 2003. С.437-440.

33. Сахабутдинов Ж.М., Кочнева О.С., Павлов Г.И. Анализ устойчивости термически возбуждаемых пульсационных колебаний газа в цилиндрикой трубе// Тр. одиннадцатой международной конференции «Математика. Компьютер. Образование». Дубна: ОИЯИ, 2004. С. 146.

34. Сахабутдинов Ж.М., Кочнева О.С., Павлов Г.И. Анализ термически возбуждаемых пульсационных колебаний газа в цилиндрической трубе// Известия вузов. Проблемы энергетики. №3—4,2004. С. 13-26.

35. Сахабутдинов Ж.М., Кочнева О.С., Павлов Г.И. Экспериментально-теоретические исследования нестационарного взаимодействия горящей капли с акустическим потоком газа в трубе// Вестник Казанского технологического университета. №1,2004. С. 24-30.

36. Северянин B.C., Дерещук Б.М. О перспективах использования пульсирующего горения. // Изв вузов СССР. Энергетика. 1977, № 5, С. 138 143.

37. Северянин B.C. Распыление топлива пульсирующим газовым потоком. Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение, 1992, № 1, С. 115-119.

38. Старченко А. В., Бубенчиков А. М., Бурлуцкий Е. С. Математическая модель неизотермического турбулентного течения газовзвеси в трубе //Теплофизика и аэромеханика. 1999. № 1. С. 59-71.

39. Тукмаков A.JI. Нелинейные колебания газа в закрытой трубе при большой амплитуде возбуждения //Теплофизика и аэромеханика. 2001. № 1. С. 101-108.

40. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. -М.: Наука. 1967. С. 492.

41. Худяев С.И. Влияние фазового перехода на процесс воспламенения // Физика горения и взрыва. 2003. № 6. с. 26-29.

42. Чернорай В. Г., Грек Г. Р., Катасонов М. М., Козлов В. В. Генерация локализованных возмущений вибрирующей поверхностью //Теплофизика и аэромеханика. 2000. № з. С.339-351.

43. Юдаев Б.Н. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1981. 320 с.

44. Carvalho J.A., Mcquay M.Q. and Gotac P.R. The Interaction of Liquid Reacting Droplets with the Pulsating flow in a Rijke-Tube Combustor. Combustion and Flame. 108: 87-103, 1997.

45. Hyun-Gull Yoon, John Peddieson Jr., Kenneth R. Purdy . Mathematical modeling of a generalized Rijke tube. International Journal of Engineering Science, 36 (1998), pp 1235-1264.