Влияние акустического воздействия на развитие неустойчивостей при струйном диффузионном горении метана

Кривокорытов, Михаил Сергеевич

Влияние акустического воздействия на развитие неустойчивостей при струйном диффузионном горении метана тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Кривокорытов, Михаил Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Автореферат диссертации на тему "Влияние акустического воздействия на развитие неустойчивостей при струйном диффузионном горении метана"

ВЛИЯНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАЗВИТИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ ПРИ СТРУЙНОМ ДИФФУЗИОННОМ ГОРЕНИИ МЕТАНА

01.04.14 —теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

13 НОЯ 2014

Москва-2014

005555086

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор,

зав. отделом ОИВТ РАН, Москва, Виктор Владимирович Голуб.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, с.н.с Математический институт им. В.А. Стеклова РАН, Москва,

Владимир Васильевич Марков;

доктор физико-математических наук, зав. лаб Институт химической физики им. H.H. Семенова РАН, Москва,

Сергей Павлович Медведев.

Ведущая организация: НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова,

Москва.

Защита состоится «24» декабря 2014 г. в П. час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.110.02 Федерального государственного бюджетного учреждения Объединенного института высоких температур Российской академии наук по адресу 125412, Москва, ул. Ижорская д.13, стр.2, экспозал.

С диссертацией можно ознакомиться библиотеке ОИВТ РАН. Автореферат разослан ( » 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

М.М. Васильев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В экологическом отношении природный газ является самым чистым видом органического топлива. При его сгорании образуется значительно меньшее количество вредных веществ по сравнению с другими видами топлива. Однако сжигание человечеством огромного количества различных видов топлива, в том числе природного газа, за последние полвека привело к некоторому незначительному увеличению содержания углекислого газа в атмосфере, который является парниковым газом. Некоторые ученые на этом основании делают вывод об опасности возникновения парникового эффекта и как следствие — потепление климата. В связи с этим в 1997 г. некоторыми странами был подписан Киотский протокол по ограничению парникового эффекта. По состоянию на 26 марта 2009 г. протокол был ратифицирован 181 страной мира, на чью долю совокупно приходится более чем 61 % общемировых выбросов.

Главной научной и технической задачей связанной с использованием природного газа является разработка методов повышения эффективности горения за счет снижения выхода выхлопных газов и увеличения полноты сгорания топлива. Горение начинается с межмолекулярной экзотермической реакции, но управляют его поддержанием и развитием физические процессы, протекающие на макроуровне. Существует два вида горения газов: диффузионные пламена и пламена предварительно перемешанной смеси. Главным преимуществом использования предварительно перемешанных смесей является возможность лучшего управления процессом горения. Перемешанная до молекулярного уровня смесь горючего газа с окислителем обеспечивает практически постоянную скорость горения, нужную температуру, заданный химический состав, что весьма важно в теплотехнической практике и при решении экологических задач, в частности, для сокращения выбросов оксидов азота, бензапирена, сажи. Однако приготовление, и тем более хранение предварительно перемешанных смесей опасно, а в устройствах с такими пламенами всегда существует опасность встречного проскока пламени в объем, занятый такой смесью, ее воспламенением, взрывом. Поэтому на практике более широкое распространение получило горение предварительно не смешанных смесей, диффузионное горение. Лимитирующим процессом, определяющим скорость горения топлива, является диффузия (в более общем случае, тепломассообмен), обеспечивающая взаимный перенос горючего и окислителя и получение концентрации смеси, при которой происходит ее воспламенение и горение.

Для диффузионных пламен повысить эффективность горения можно за счет интенсификации смешения горючего с окислителем. Добиться этого можно за счет турбулизации потоков горючего и окислителя. Настоящая работа по-

священа исследованию акустического воздействия на струйные диффузионные пламена (факела), а также струи нереагирующих газов, с целью поиска явлений и эффектов, которые могут быть использованы для повышения эффективности горения.

Цели работы

В основе работы лежит исследование акустического воздействия на струйные диффузионные пламена (факела) с целью поиска явлений и эффектов, которые могут быть использованы для повышения эффективности диффузионного горения. Главной целью работы было определение влияния турбулизации потока горючего при акустическом воздействии на устойчивость струйных диффузионных пламен и состав продуктов горения. Вспомогательной целью являлось определение параметров акустического воздействия, при которых в газовых струях происходит развитие неустойчивостей, а также определение зависимости этих параметров от диаметра струи, ее скорости, а также физических свойств газа струи.

Целями работы являлось:

1. Исследование диффузионных пламен (факелов) метана с диаметром горелок -1 мм:

• Получить зависимость длины ламинарного метанового факела от средней скорости и объемного расхода метана.

• Для горелок разного диаметра получить частотные спектры светимости пламени при различных расходах метана. По полученным спектрам определить частоты мерцаний пламени, получить зависимость частоты мерцаний от объемного расхода метана.

2. Исследование диффузионных пламен (факелов) метана с диаметром горелок -1 мм при акустическом воздействии:

• Поиск режимов бифуркации струйного диффузионного факела метана. Определить параметры акустического воздействия, при которых наблюдается бифуркация. Определить зависимость этих параметров от диаметра горелки и от скорости струи метана.

• Определить изменение пределов отрыва пламени от горелки, срыва пламени, а также обратного присоединения оторванного от горелки факела при различных параметрах акустического воздействия.

• Определить изменение состава продуктов горения, а именно концентраций оксидов азота и сажи, при акустическом воздействии.

3. Исследование газовых струй с диаметром -1 мм:

• Получить зависимость длины ламинарно-турбулентного перехода в струях различного диаметра, а также разных газов от значения числа Рейнольдса.

• Методом Stereo PIV получить данные об изменении скорости вдоль оси струй разных газов, а также получить профили скорости в поперечных сечениях струй.

4. Исследование газовых струй с диаметром - 1 мм при акустическом воздействии:

• Поиск режимов бифуркации газовых струй. Определить параметры акустического воздействия, при которых наблюдается бифуркация. Определить зависимость этих параметров от диаметра струи ее скорости и физических свойств газа струи.

• Методом Stereo PIV получить данные о трехмерных полях мгновенной скорости потока в различных сечениях струи при акустическом воздействии, соответствующем бифуркации.

Определить эволюцию продольных и поперечных пульсаций скорости в струе при акустическом воздействии.

Научная новизна работы

1. Показано, что газовые струи с диаметром - 1 мм обладают свойствами макроструй, а именно скорость на оси струи убывает обратно пропорционально расстоянию от начала струи, профили скорости в поперечном сечении струи обладают свойством аффинности.

2. Показано, что при акустическом воздействии ламинарные струи с диаметром - 1 мм турбулизуются. Обнаружено, что существует пороговая частота воздействия, выше которой струи как реагирующего так и нереагирующего газов не чувствительны к внешнему акустическому воздействию..

3. Предложен критерий бифуркации газовых струй, связывающий пороговую частоту акустического воздействия, с характеристиками струи (скорость струи и ее диаметр, а также физические свойства газа струи).

4. Обнаружено, что при акустическом воздействии в струе развивается асимметричная мода неустойчивости, при этом струя совершает поперечные колебания. Колебания струи сопровождаются образованием в ней продольных вихрей. Появление этих вихрей обуславливает рост колебаний струи и ее дальнейший распад.

5. Показано, что зависимость длины ламинарных диффузионных струйных пламен (факелов) метана с диаметром горелки - 1 мм от скорости объемного расхода метана полностью согласуются с классическими представлениями о длине ламинарных пламен.

частотой мерцания пламени. В отличие от пламен на горелках большего диаметра, частота мерцаний не зависит от диаметра горелки.

7. Обнаружено, что при внешнем акустическом воздействии расширяются пределы существования оторванного факела. Кроме того, акустическое воздействие позволяет получить устойчивый оторванный факел над горелками малого диаметра, для которых, в случае без акустического воздействия, оторванные пламена не наблюдаются.

8. Обнаружено, что исследуемые эффекты могут быть использованы для управления выходом выхлопных газов. Показано, что в продуктах горения оторванного метанового факела при акустическом воздействии концентрация оксидов азота снижается на 50%, сажи на 30%.

Научная и практическая значимость результатов работы

Научная значимость работы заключается в получении экспериментальных данных о чувствительности газовых струй, в том числе и реагирующих струй (факелов), миллиметрового масштаба к внешнему акустическому воздействию в широком диапазоне параметров воздействия, а также скоростей струй, их диаметров и газов. Показано, что существует пороговая частота воздействия, выше которой струя не чувствительна к внешнему воздействию, получена эмпирическая зависимость этой частоты от скорости струи, ее диаметра и физических свойств газа струи. При помощи современного Stereo PIV диагностического комплекса получены детальные экспериментальные данные о динамике течения струй, в том числе и при акустическом воздействии, на основе которых возможна верификация численных моделей и методов расчета такого рода течений.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы в качестве рекомендаций для проектирования эффективных горелочных устройств с акустической интенсификацией и стабилизацией горения.

Основные положения, выносимые на защиту

Экспериментальные данные о динамике ламинарных пламен, частотные спектры нестационарного свечения (мерцания) диффузионного струйного пламени. Экспериментальная зависимость частоты мерцаний от диаметра горелки и скорости горючего газа.

Результаты теневой визуализации развития неустойчивостей в диффузионном струйном пламени при внешнем акустическом воздействии. Экспериментальные данные о пределах чувствительности пламен к внешнему акустическому воздействию, зависимость пороговой частоты бифуркации от скорости горючего.

Экспериментальные данные о срыве диффузионного струйного пламени, а также пределах отрыва и обратного присоединения пламени при акустическом воздействии.

Экспериментальные данные о ламинарно-турбулентном переходе в газовых струях миллиметрового масштаба. Экспериментальная зависимость длин ламинарно-турбулентного перехода для струй различных диаметров и газов.

Результаты теневой визуализации развития неустойчивостей в газовых струях при акустическом воздействии. Экспериментальные данные о пределах чувствительности струй к внешнему акустическому воздействию, эмпирическая зависимость пороговой частоты бифуркации от параметров струи (скорость струи, ее диаметр и физические свойства газа струи).

Трехмерные поля скоростей в различных сечениях струи, полученные методом Stereo PIV, профили скорости струи в ее продольном и поперечном сечениях. Трехмерные поля скоростей в различных сечениях струи, полученные методом Stereo PIV, при внешнем акустическом воздействии. Экспериментальные данные о скорости роста возмущений в газовых струях при акустическом воздействии.

Результаты экспериментального исследования состава продуктов горения струйного диффузионного факела при акустическом воздействии.

Личный вклад автора

Вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автор принимал активное участие в постановке научных задач; при его непосредственном участии был создан экспериментальный стенд, проведены экспериментальные исследования, выполнена обработка экспериментальных данных, а также анализ полученных результатов. На основании полученных результатов были сформулированы и обоснованы выводы и заключения, вошедшие в диссертацию.

Апробация работы

Результаты работы были представлены на международных (6) и российских (7) конференциях, в том числе:

54-я и 55-я научные конференции МФТИ (Долгопрудный 2011, 2012);

Тринадцатая Международная школа-семинар "Модели и методы аэродинамики" (Евпатория 2013);

Третья Всероссийская научная школа молодых ученых "Волны и вихри в сложных средах" (Москва 2012);

XVII и XVIII Международные конференции по Вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2011, ВМСППС'2013) (Алушта 2011,2013);

Десятая Международная конференция по Неравновесным Процессам в Соплах и Струях (NPNJ'2014) (Алушта 2014);

1-я и 2-я Всероссийские научные конференции «Механика нанострукту-рированных материалов и систем» (Москва 2011, 2013);

IV Всероссийский симпозиум «Механика композитных материалов и конструкций» (Москва 2012);

XXVIII International Conference on Interaction of intense energy fluxes with matter (IIEFM'13) (Elbrus 2013);

XXVII & XXVIII International Conferences on Equations of State for Matter (EOS'12, EOS'14).

Crpyicrypa и объем диссертации

Работа состоит из введения, шести глав, выводов к главам и списка литературы. Работа изложена на 157 страницах и включает 2 таблицы и 92 рисунка. Список литературы содержит 113 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее основные цели и положения, выносимые на защиту, указана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Первая глава содержит обзор литературы и посвящена различным аспектам теории диффузионного горения и ее экспериментальным подтверждениям, а также различным эффектам, возникающим при акустическом воздействии на диффузионные пламена.

Особое внимание уделяется влиянию внешнего акустического воздействия на конвективную неустойчивость и гидродинамическую неустойчивость потоков реагентов в струйных диффузионных пламенах. Приводятся результаты, указывающие на то, что при помощи акустического воздействия можно управлять указанными выше неустойчивостями, что в ряде случаев приводит к интенсификации смешения горючего с окружающим воздухом и увеличению эффективности горения за счет увеличения полноты сгорания топлива, снижения доли токсичных выбросов и сажи. Особое внимание уделяется пламенам и течениям малого масштаба, так как в этих случаях изменения в форме пламени, составе продуктов горения и характере течений при акустическом воздействии являются наиболее значительными. Так, например, возможно сокращение концентрации сажи и оксидов азота в разы по сравнению со случаем без акустического воздействия. В ряде случаев в пламенах и струях при акустическом воздействии наблюдается эффект бифуркации. Эффект вызван развитием асимметричной моды неустойчивости в струях малого диаметра. Подчеркивается малое количество сведений о развитии струй такого масштаба, а также тот

факт, что неизвестно, что определяет параметры акустического воздействия, при которых пламена и струи чувствительны к внешнему воздействию.

Во второй главе описаны экспериментальные установки и оборудование для изучения газовых струй как реагирующих, так и нереагирующих газов. В эксперименте моделировались струи реагирующего (метан) и нереагирующих (гелий, углекислый газ) газов. Струи формировались в длинных (более ста калибров внутреннего диаметра) трубках с внутренним диаметром 0.52, 0.82, 1.00, 1.13 и 1.58 мм. Значение числа Рейнольдса, вычисленное по средней по сечению скорости течения и внутреннему диаметру трубок, менялось в пределах от 100 до 8000, позволяя тем самым моделировать как ламинарные, так и турбулентные струи.

Визуализация пламен и струй проводилась теневым методом на базе теневого прибора ИАБ-451, а также методом Stereoscopic PIV на базе комплекса LaVision FlowMaster Stereo PIV.

Также во второй главе представлены схемы экспериментов по измерению состава продуктов горения. В работе измерялась концентрация оксидов азота в продуктах горения при помощи промышленного газоанализатора и относительное изменение массовой концентрации сажи по экстинкции излучения гелий-неонового лазера.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования диффузионных пламен. В параграфах 3.1 и 3.2 представлены экспериментальные данные о высоте диффузионных струйных пламен с диаметром горелки ~ 1 мм, сигналах и спектрах люминесценции, а также частотах мерцания пламени, а также результаты прямой и теневой визуализации пламен.

Результы измерния длины струйного диффузионного пламени с диаметром горелки ~ 1 мм показали, что длина пламени линейно зависит от расхода горючего газа и не зависит от диаметра горелки, что полностью согласуется с классическими представлениями о длине ламинарных пламен [1, 2]. По спектрам люминесценции получены частотные спектры светимости пламени при различных расходах метана для горелок с разным внутренним диаметром (1.00, 1.13 и 1.58 мм). Показано, что частоты мерцаний пламени при одном и томже расходе метана не зависят от диаметра горелки, в отличие от пламен с большим диаметром горелки. Результаты прямой и теневой визуализации указывают на то, что мерцания обусловлены изменениями геометрических размеров пламени, вследствие конвективной неустойчивости столба горячего газа, окружающего факел. Частота следования вихрей в столбе горячего газа, окружающего факел, совпадает с частотой мерцания пламени.

В параграфе 3.3 представлены результаты экспериментального исследования струйных диффузионных пламен с диаметром горелки ~ 1 мм при аку-

стическом воздействии методами прямой и теневой визуализации (рис. 1). Как это видно из рис. 1, при акустическом воздействии поведение пламени существенным образом меняется, пламя приобретает «У» форму. Показано, что эффект наблюдается вплоть до некоторой пороговой частоты воздействия. Экспериментальная зависимость пороговой частоты от средней скорости метана и значения числа Рейнольдса представлена на рис. 2.

В параграфе 3.4 представлены результаты экспериментального исследования влияния внешнего акустического воздействия на пределы отрыва, обратного присоединения и срыва струйных диффузионных пламен с диаметром горелки ~ 1 мм. Показано, что при акустическом воздействии пределы отрыва пламени от горелки, а также срыва пламени значительным образом не изменяются, наибольшее влияние акустическое воздействие оказывает на обратное присоединение оторванного факела. Увеличивается диапазон скоростей горючего, при которых наблюдается устойчивый оторванный факел. Кроме того, акустическое воздействие позволяет получить устойчивый оторванный факел над горелками малого диаметра (рис. 3), для которых, в случае без акустического воздействия, оторванные пламена не наблюдаются.

Рис. 1. Теневая (а) и прямая (б) фотографии метанового факела = 1.00 мм, V = 33 м/с) при акустическом воздействии с частотой 110 кГц и уровнем звукового давления 110 дБ

а й - 1.00 мм • <3 = 1.58 мм

1» £

1*1

* И

А с! • а = 1 00 мм = 1 58 мм - 1 П1\ .... н н

4 <

И М

• И

»и«

10 20 30 40

V, м/с

Яе

1600

2400

а 6

Рис. 2. Пороговая частота бифуркации: а - зависимость от скорости струи горючего; б - зависимость от значения числа Рейнольдса, для горелок разных диаметров, с/. Данные с/= 3.00 мм из [3]

Рис. 3. Теневая (а) и прямая (б) фотографии оторванного факела (с! = 0.82 мм, V = 16 м/с) при акустическом воздействии с частотой 3900 Гц и уровнем звукового давления 100 дБ

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования газовых струй. В параграфе 4.1 представлены результаты теневой визуализации газовых струй с диаметром ~ 1 мм и результаты измерения длин ламинарно-турбулентного перехода в струях различного диаметра, скорости и газов. Показано, что длина ламинарно-турбулентного перехода зависит от скорости струи, ее диаметра и газа, во всех исследованных случаях с ростом значения числа Рейнольдса длина ламинарно-турбулентного перехода экспоненциально уменьшается.

В параграфе 4.2 приводятся результаты теневой визуализации газовых струй при акустическом воздействии (рис. 4). Как видно из рис. 4, частота звука, при которой наблюдается эффект зависит от скорости струи, причем существует некая пороговая частота воздействия. При внешнем воздействии с частотой, превышающей пороговую, эффект не наблюдается.

а б в г д

Рис. 4. Бифуркация струи (начальный диаметр струи 1 мм, средняя по сечению скорость струи 66.5±2.8 м/с) гелия при внешнем акустическом воздействии: 0 Гц (а); 200 Гц (б); 2300 Гц (в); 3200 Гц (г); 4800 Гц (д)

В параграфе 4.3 приводятся результаты исследования бифуркации газовых струй. Результаты представлены в виде зависимостей угла бифуркации (угла под которым делится струя) и расстояния от начала струи до места ее деления от частоты воздействия и уровня звукового давления.

В параграфе 4.4 приводятся результаты измерения пороговой частоты воздействия для струй различных скоростей, диаметров и газов (рис. 5). На рис.

5,а представлены зависимости пороговой частоты бифуркации от значения числа Рейнольдса для всех газов и трубок, используемых в эксперименте, а также данные [3] для струи метана с d= 3.00 мм. На рис. 5,6 те же данные представлены в координатах F((V/v)2), где V - средняя по сечению трубки скорость струи, v - кинематическая вязкость газа струи, F = fb * ехр(—т/ро/р), Ро -плотность окружающего воздуха, р - плотность газа струи. Как это следует из рис. 5,6, F ос (K/v)2, или:

fb4V~exp[\ jf

Отклонение пороговой частоты бифуркации от линейной зависимости не превышает -15%.

/ь, кГц

12-

t СН4. d = 0.82 мм i СН4. d = 1 .ОС- мм

► CH4. d = 1.53 мм i C02 d ^ 0.82 мм г C02. d я 1.Ж мм

> СО?., d = 1.58 мм

> He, d = 0.82 мм I He, d * 1.00 мм

► He, d~ 1.58 mm

■; GH4, fi = S CO MM

.......

% V.

Р.кГц

» CH<i, d = С 82 мм

• она. d - :ю wm

• сна el ' '.8 мм » C02 ö = 0 82 Mw « С02, ö 100 Mr/

• co2 о - i;гмм

• Не. (J = 0.22 мм к Не. б 1 00 мм

• не d = 1 58 мм о СН4. d= 3.00 мм

Р - упу^уу

¡fsföj

I Iii:

jSffafH

500 1000 1500 а

2 (VA'f 1'"2

Рис. 5. Критерий бифуркации: а — зависимость пороговой частоты бифуркации от значения числа Рейнольдса; б - пороговая частота бифуркации в координатах F((V/v)2)

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию газовых струй методом Stereo PIV. В параграфе 5.1 приводятся результаты измерения профилей скорости в свободных затопленных струях. Показно, что, как и в случае макроструй, профили скорости в различных поперечных сечениях струи обладают свойством аффинности. Показано, что изменение скорости вдоль оси струи описывается теми же законами, что и для бесконечно тонкой ламинарной струи.

В параграфах 5.2 и 5.3 приводятся результаты измерения трехкомпонент-ного поля мгновенной скорости струи в ее продольном и поперечном сечениях соответственно. На рис. 6 представлены мгновенные поля трех компонент вектора скорости потока в продольном сечении струи гелия (диаметр струи 1 мм).

Как видно из рис. 6, в струе под действием звука развивается асимметричная мода неустойчивости, проявляющаяся в колебаниях струи как целого. Эти колебания нарастают вниз по потоку, что приводит к дроблению струи на чередующиеся области, расходящиеся под определенным углом. На теневых снимках, сделанных с большим временем экспозиции (30 мкс), это выглядит как раздвоение струи. На рис. 7 представлены мгновенные поля трех компонент вектора скорости потока в поперечном сечении воздушной струи (диаметр струи 1 мм). Направление распространения звука совпадает с направлением оси X на рис. 6 и рис. 7.

10 0 Ш -10 0 I« -10 0 10

X. mm X, mm X. mm

Рис. 6. Поля модуля скорости течения гелиевой струи диаметром 1 мм при различных экспериментальных условиях. Слева на право: V= 33 м/с,/= 120 Гц; V= 43 м/с,/= 300 Гц;

V= 57 м/с,/= 900 Гц

На рисунке схематически изображена система координат, выделенная ось соответствует компоненте скорости, поле которой приводится на рисунке. Крестом обозначен центр невозбужденной струи. Стрелки на рисунках соответствуют проекции вектора скорости на плоскость лазерного ножа. Как это видно из рис. 7, колебания струи сопровождаются образованием в ней двух противо-вращающихся вихрей, причем прямая, соединяющая их центры, перпендикулярна направлению распространения звука.

В параграфе 5.4 приводятся результаты измерения профилей скорости в поперечных сечениях струи гелия при акустическом воздействии. Показано, что развитие пульсаций скорости в струе проходит две стадии, которые описаны в параграфе 5.5. На начальном участке в струе под действием звука появляются продольные пульсации скорости. Вниз по потоку за счет неких нелинейных механизмов продольные пульсации скорости переходят в колебания струи как целого с амплитудой порядка диаметра струи. В параграфе 5.3 показано, что эти колебания сопровождаются образованием в струе вихрей, появление которых приводит к росту колебаний и распаду струи.

Рис. 7. Мгновенные поля компонент скорости потока на расстоянии 30 мм от начала струи в различные по фазе звука моменты времени: Уу(а), Ух(б), У2(в).

В эксперименте V = 8.9 м/с,/= 300 Гц

В шестой главе приводятся результаты экспериментального исследования состава продуктов горения струйного диффузионного факела при акустическом воздействии. В параграфе 6.1 обсуждается корректность использования метода экстинкции для определения массовой концентрации сажи в диффузионных метановых пламенах.

В параграфе 6.2 представлены результаты измерения концентрации оксидов азота и относительной массовой концентрации сажи (рис. 10). В эксперименте расход горючего составлял 0.056 мЗ/ч, диаметр горелки 1 мм, что соответствует средней по сечению скорости метана 20.0 м/с. Фотографии факела при различных параметрах акустического воздействия представлены на рис. 9.

На рис. 10 представлены результаты измерения состава продуктов горения. Прямая линия на рисунках соответствует случаю без акустического воздействия. Видно, что обе зависимости имеют минимум при частоте воздействия ~ 2.5 кГц, при этом массовая концентрация сажи снижается на 30 % по сравне-

нию со случаем без акустического воздействия, а концентрация оксидов азота на 50%, при уровне звукового давления 110 дБ.

5.5 kHz 4.5 kHz 3.5 kHz 3.0 kHz 2.5 kHz 1.5 kHz 0.0 kHz Рис. 9. Фотографии факела при акустическом воздействии разной частоты. Уровень звукового давления 90 дБ

110 дБ 90 д&

| 1-4 11-2

$ 1.0 гз

1 о.а

g о.а я

I 0.4 s

i 0.2

•

110дБ

2 3 Частота, кГц

2 3 4 5 Частота, кГц

Рис. 10. Состав продуктов горения: а - концентрация N0% в продуктах горения; б - относительная массовая концентрация сажи в продуктах горения в зависимости от частоты внешнего воздействия

РЕЗУЛЬТАТЫ

6. Показано, что для факелов метана с диаметром горелки - 1 мм мерцания обусловлены изменениями геометрических размеров пламени, вследствие конвективной неустойчивости столба горячего газа, окружающего факел. Частота следования вихрей в столбе горячего газа, окружающего факел, совпадает с частотой мерцания пламени. В отличие от пламен на горелках большего диаметра, частота мерцаний не зависит от диаметра горелки.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

Х.Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. 2-е изд. Пер. с англ. под ред. К. И. Щёлкина и А. А. Борисова. — М.: Мир, 1968. — 592 с.

I.Hawthorne W.D., Weddell D.S., Hottel H.C. Diffusion in laminar flame jets//Proceedings of the Third International Symposium on Combustion, Flame and Explosion Phenomena (Williams and Wilkins, Baltimore, Maryland, 1949), pp. 254 -266.

3. Suzuki M., Atarashi T. and Masuda IV. Behavior and structure of internal fuel-Jet in diffusion flame under transverse acoustic excitation//Combust. Sei. and Tech., 2007, V.179, pp. 2581-2597.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

Статьи в журналах:

1. Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Володин В.В. Влияние акустических колебаний на диффузионное горение метана//Письма в ЖТФ, 2012, Т. 38, Вып. 10, с. 57-63.

2. Кривокорытов М.С., Голуб В.В. Акустическое управление горением газовых топлив//приложение к журналу Физическое образование в вузах, 2012, Т. 18, № 1, с.42.

3. Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Морапев И.А. Развитие неустойчивостей в газовых микроструях при акустическом воздействии//Письма в ЖТФ, 2013, Т.39, Вып. 18, с. 38-44.

4. Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Моралев И.А., Володин В.В. Экспериментальное исследование развития струи гелия при акустическом воздейст-вии//Теплофизика высоких температур, 2014, Т.52, № 3, с. 450 - 456.

Тезисы докладов:

5. Кривокорытов М.С. Бифуркация диффузионного метанового факела/Пруды 54-й научной конференции МФТИ, секция «Проблемы современной физики», 2011, с. 103 - 104, Москва-Долгопрудный-Жуковский, МФТИ.

6. Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Володин В.В. Бифуркация струи гелия при внешнем акустическом воздействии//Труды 55-й научной конференции МФТИ, секция «Проблемы современной физики», 2012, с. 120 - 121, Москва-Долгопрудный-Жуковский, МФТИ.

1. Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Володин В.В. Акустическое управление газовыми микроструями//Материалы Тринадцатой Международной школы-семинара «Модели и методы аэродинамики», 2013, с. 122 - 123, МЦНМО, Москва.

8.Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Володин В.В. Бифуркация струи гелия при внешнем акустическом воздействии//Международная научная школа молодых ученых «Волны и вихри в сложных средах» тезисы докладов, 2012, с. 131 — 134, МАК ПРЕСС, Москва.

9. Володин В.В., Голуб В.В., Данилов А.П., Кривокорытов М.С. Бифуркация диффузионного метанового пламени//Материалы XVII Международной конференции по Вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2011), 2011, с. 503 - 505, МАИ-ПРИНТ, Москва.

10. Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Володин В.В. Бифуркация газовых струй при внешнем акустическом воздействии//Материалы XVIII Международной конференции по Вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2013), 2013, с. 701 - 703, МАИ-ПРИНТ, Москва.

11 .Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Моралев И.А. Образование продольных вихревых структур в дозвуковых струях при акустическом воздейст-вии//Материалы X Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2014), 2014, с. 195 - 197, МАИ-ПРИНТ, Москва.

12. Голуб В.В., Володин В.В., Бакланов Д.И., Иванов КВ., Тарасенко H.H., Кривокорытов М. С. Исследование влияния акустического воздействия на процессы воспламенения и горения//Всероссийская научная конференция «Механика наноструктурированных материалов и систем» сборник тезисов докладов, 2011, с. 66, Москва.

13. Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Моралев И.А. Экспериментальное исследование вихревых структур в газовой струе при акустическом воздействии//2-я Всероссийская научная конференция «Механика наноструктурированных материалов и систем» сборник тезисов докладов, 2013, с. 288, Москва.

14. Голуб В.В., Кривокорытов М.С. Акустическое управление эффективностью и токсичностью сгорания газовых топлив//1У Всероссийский симпозиум

«Механика композитных материалов и конструкций» тезисы докладов, 2012, с. 92, Москва.

15. Krivokoritov M.S., Golub V.V., Volodin V.V. Bifurcation of micro jets under acoustic influence//XXVIII International Conference on Interaction of intense energy fluxes with matter Book of Abstracts, 2013, pp. 95 - 96, Moscow & Chernogolovka & Nalchik.

16.Krivokoritov M.S., Golub V.V., Volodin V.V. The bifurcation phenomenon of gas micro jet under acoustic influence//Physics of Extreme States of Matter, 2013, pp. 120-121, Moscow.

\1. Krivokoritov M.S., Golub V.V. Acoustic influence on methane diffusion flame//XXVII International Conference on Equations of State for Matter Book of Abstracts, 2012, p. 74, Moscow & Chernogolovka & Nalchik.

18. Krivokoritov M.S., Golub V. V. Experimental investigation of a gas jet instabilities under acoustic action//Physics of Extreme States of Matter, 2012, p. 63, Moscow.

19. Krivokoritov M.S., Golub V.V. Experimental investigation of vortex structures in gas microjet under acoustic influence//XXIX International Conference on Equations of State for Matter Book of Abstracts, 2014, p. 96, Moscow & Chernogolovka & Nalchik.

20. Krivokoritov M.S., Golub V. V. Experimental investigation of a gas jet instabilities under acoustic excitation//Physics of Extreme States of Matter, 2014, pp. 94 - 97, Moscow.

КРИВОКОРЫТОВ Михаил Сергеевич ВЛИЯНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАЗВИТИЕ НЕУСТОЙЧИВО-СТЕЙ ПРИ СТРУЙНОМ ДИФФУЗИОННОМ ГОРЕНИИ МЕТАНА

Автореферат

Подписано в печать 03.09.2014 Формат 60x84/16

Печать офсетная Уч.-изд.л. 1.0 Усл.-печ.л. 0,93

Тираж 100 экз. Заказ №206 Бесплатно

ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13 стр.2