Закономерности развития трехмерных струй тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

VI а

КАЗАХСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АЛЬ - ФАРАБЙ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ТРЕХМЕРНЫХ СТРУЙ

Специальность 01.02.05 -Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ка правах рукописи

ТЕМИРБАЕВ ДГСЕНБН ЖУСУПОВИЧ

УДК 532.522/525.6.001

Алматы, 1996

Работа выполнена в Алматинском энергетическом институте

Ведущая организация: Казахский научно-исследовательски? институт

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

в 15 часов на заседании специализированного совета Д I4/A 01.04 в Казахском Государственном Национальном Университете им-Аль-Фараби по адресу: 480012, г.Алматы, ул-Масанчи, 39/47 в ауд. 104

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке КазГНУ им. Аль-$араби".

Автореферат разослан "£" С1П.[1вЛЛ 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

энергетики имени академика Ш.Ч. Чокина

И.П. ВАСИНА

доктор технических наук, профессор З.Ш. 1УМАЕВ

доктор технических наук, профессор У. К. 1АПБАСПАЕВ

Защита диссертации состоится "10' мая 1996 г.

Балакаева

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Жизненная необходимость решения современных проблем экологии, ресурсосбережения, переработки и рационального использования органического топлива делает особо актуальными целенаправленную организации и оперативное управление технологических процессов смешения реагентов, экономичного и экологичного сжигания топлива на основе научного совмещения существующих достижений и результатов новых исследований целевых вопросов молекулярной физики, многообразия химических реакций образования и восстановления токсичных веществ, аэротермодинамики процессов горения.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является изучение струйных процессов в камерах смешения и сгорания как важной части указанной глобальной проблем«- и разработка методов расчета трехмерных струя.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ. При взаимодействии струй, распространяющихся под углом друг к другу (слившиеся струи) или к потоку (сносимые струи), происходит значительное перестроение всего поля течения. Возникающие э сносимых и слившихся струях механизмы турбулентного и конвективного переноса массы, импульса и тепла обусловливают широкие возможности их использования для:

эффективной организации и регулирования процессов смесеобразования, стабилизации пламени и сжигания топлива в камерах сгорания газовых и парогазовых турбин, топок и печей;

аэродинамических и тепловых завес, защиты стенок от шлакования или других вредных воздействий (коррозия металлов и т.п.,);

создания восстановительных сред с целью.например, повышения белизны цементного клинкера;

снижения и выравнивания температуры продуктов сгорания перед газовыми турбинами авиационных и судовых двигателей и энергетических установок или на выходе из топочной камеры мощных парогенераторов;

подавления образования и восстановления окислов азота при сжигании топлива

и решения других актуальных задач теплоэнергетики, металлургической теплотехники,промышленной теплоэнергетики и химической

технологии.

Поэтому настоящая диссертационная работа посвящена анализу и обобщение результатов экспериментального исследования закономерностей развития и смешения одиночных и системы сносимых и ели вшихся струй различной начальной формы и разработки методов их расчета применительно к оптимальной организации процессов смешения в камерах сгорания газовых и парогазовых турбин и газов рециркуляции в верху топочной камеры мощных парогенераторов тепловых электростанций и обжига клинкера во вращающихся цементных пе чах, полученных диссертантом совместно с научным руководителем кандидатской диссертации Игорем Борисовичем Палатником, аспирантами Адилбековым М.А.,Нугумановым A.M..Белиловским Ю.Б.,Даукее-вым Г.Ж..Сакиповым К.Е. и другими соавторами, а также обширных литературных материалов Г.Н.Абрамовича, Т.А.Гиршович, Ю.В.Иванова, Б.й.Миткалинного и других авторов по данному направлении.

Математическая трудность изучения турбулентных сносимых и слившихся струй усложняется их трехмерностью. Трехмерна и обычне затопленная струя прямоугольной начальной формы. Поэтому ПЕРВОЙ ЗАДАЧЕЙ исследования трехмерных струй является анализ и обобщен результатов экспериментальных и расчетных данных прямоточных струй прямоугольной начальной формы с различным соотношением стс рон.

ВТОРОЙ ЗАДАЧЕЙ диссертационной работы является анализ и обе бдение результатов экспериментальных и расчетных данных по pa3Bt тию и смешению сносимых струй различной начальной формы.

При взаимодействии сносимых струй образуются слившиеся ctpj Поэтому ТРЕТЬЕ? ЗАДАЧЕЙ является анализ и обобщение результатов исследования распространения слившейся струи, образованной соудг рением двух струй различной начальной формы на различных расстоя ниях под различными углами друг к другу в неподвижной среде и в сносящем потоке.

Рабочий процесс камер смешения и сгорания строится на взаимодействии системы струй. Поэтому ЧЕТВЕРТОЙ ЗАДАЧЕЙ является из) чение закономерностей распространения системы струй в канале ра: личной формы и разработка методики расчета оптимального смесите; камер сгорания газовых турбин и ввода газов рециркуляции для защиты экранов от шлакования экранных поверхностей топочных камер.

ПЯТОЙ ЗАДАЧЕЙ является экспериментальное исследование и определение возможностей струйной организации и регулирования процессов смесеобразования, стабилизации пламени и горения на примере разработки газовых регулируемых горелок вращающихся цементных печей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Проведены экспериментальные и расчетные исследования и установлены закономерности развития и смешения одиночных и системы трехмерных турбулентных струй различной начальной формы, распространяющихся прямоточно и под различными углами друг к другу и однородному безграничному и ограниченному каналом различной формы сносящему потоку.

На этой основе разработаны методы расчета и проведены модельные, факельные, опытно-промышленные и натурные испытания смесителей камер сгорания газовых и парогазовых турбин, аэродинамических вводов газов рециркуляции в верх топочной камеры мощных парогенераторов, газовых регулируемых горелок вращающихся цементных печей. Результаты их внедрены в производство в виде справочного материала, руководящих указаний по проектированию и конкретных топочных и горелочных устройств на уровне изобретений и значительным экономическим эффектом.

Установлен эффект трансформации турбулентной трехмерной затопленной струи прямоугольной начальной формы з осесикметричное течение.

Показано, что при соударении двух одинаковых струй различной начальной формы на различных расстояниях в диапазонах изменений угла встречи 30т90° и интенсивности турбулентности О,025*0,1 на участке их начального слияния устанавливается постоянное значение аксиальной составляющей интенсивности турбулентности, равное 0,10 + 0,02 от местной скорости. Протяженность этого участка гиперболически падает с ростом угла встречи между струями.

Показано, что наибольшее значение интенсивности нарастания массовых расходов сносимой струи приходится к значениям =50° и с|0 = 3. Интенсивность турбулентности во встречных слившихся струях в потоке растет с ростом и с^ и с уменьшением расстояния между ними и больше, чем в слившихся струях в неподвижной среде.

Показано, что струи одинакового размера при соударении не пересекаются и образуют слившуюся струю с свойствами, аналогичными затопленной струе.

Установлены значения множителя пропорциональности между глубиной проникновения системы периферийных струй и определяющими ее параметрами в зависимости от схемы их вводов в однородный и закрученный потоки и форма канала.

Показано, что лучшее качество смешения периферийных сносимых струй достигается при глубине их проникновения до центра ограниченного однородного потока, что согласуется с рядом литературных данных, и относительном шаге струй более двух. То же для случая закрученного в канале потока имеет место при направлении струй навстречу к главному вектору скорости закрученного потока.

Качество смешения жестких периферийных струй в неподвижной среде предельно высокое и не зависит от числа струй в ряду. А качество смешения газовой струи, подаваемой в зону смешения поперечных жестких струй, улучшается с увеличением их числа и при П=10 достигает качества смешения системы жестких струй.

Показаны широкие возможности струйных процессов смесеобразования, стабилизации пламени, регулирования длины факела и обеспечения устойчивости горения при изменении коэффициента воздуха от 0,5 до 6.

Показана возможность применения метода эквивалентной задачи теории теплопроводности к расчету полей скорости" и температуры прямоугольной затопленной струи, слившейся струи и аэродинамики топочной камеры на параллельных плоских струях.

Получены формулы направления слившейся струи и значения .импульса возвратной струи, возникающих при соударении двух геометрически одинаковых, но разных по соотношению начальных импульсов струй под разными углами друг к другу.

Показана возможность локального описания аэродинамики камеры сгорания струйного типа методом струи-источника.

Получена полуэмпирическая формула выравнивания температурного поля оптимального смесителя камер сгорания газовых турбин.

Получены уравнения траектории, дальнобойности, расхода, аэродинамических сил, коэффициента аэродинамического сопротивления и приближенной оценки внешнего контура сносимой струи.

Показана возможность локального представления полей скорости и температуры одиночной и ограниченной системы сносимых струй в виде известной формулы Г.Шлихтинга.

Получены эмпирические формулы полей температуры, концентраций горючих компонент и кислорода в продуктах сгорания газовых регулируемых горелок. Определены характеристики перехода сырьевого материала в клинкер серого и белого цемента в зависимости от параметров газового регулируемого факела в условиях опытно-промышленных и натурного (для производства белого цемента) испытаний.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Практическая ценность результатов диссертационной работы определяется широким диапазоном возможностей струйной организации и регулирования процессов смесеобразования, стабилизации пламени_и горения, достаточным для обеспечения применения результатов работы в различных устройствах и аппаратах - смесители камер сгорания, топочные камеры, горелки, химические реакторы и др.

Методика расчета смесителей камер сгорания ГТД внедрена на заводе "Экономайзер" /222/.*''

Методика расчета газов рециркуляции внедрена в справочные материалы /174/ и руководящие указания по проектированию топок с твердым шлакоудалением /32/ и на Назаровскои ГРЭС /2'/и/.

Конструкция газовой регулируемой горелки с восстановительной средой (ГРГ-2) внедрена на Сас-Тюбинском цемзаводе по производству белого цемента /292/.

Отдельные результаты работы включены в монографию Л.А.Вули-са и В.П.Кашкарова "Теория струй вязкой жидкости" (М.:Наука,1965. - с.431, см.с.325-330), в пособие для дипломного проектирования Г.М.Горбунова: "Выбор параметров и расчет основных камер сгорания ГТД" (М.:МАИ,1972.-230с.,см.с.60,61,68-70), в учебник Ю.М. Пчелкина: "Камеры сгорания газотурбинных двигателей" (М.: Машиностроение, 1984.-280с.,см.с.129-130) и др.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертационной работы поэтапно докладывались и обсуждались на научном совете "Теплофизика" АН СССР в Москве (1976г.), Всесоюзных НТК по

В автореферате сохранены те же номера ссылок на работы соискателя .приведенные в конце автореферата,уравнений и рисунков как в диссертации.

теории и практике сжигания газа в Ленинграде (1968г.),"Теплообмен в парогенераторах" в Новосибирске (1988г.); по пр1сладной аэродинамике в Киеве (1973г.); втором межотраслевом совещании по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений в Таллинне (1976г.); шестом Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву в Ал-маты (1930г.); пято» и шестой Казахстанских межвузовских научных конференциях по математике и механике в Алматы (1974,1977г.г.); НТК КазПТИ (1972-1574гг.) и АЭИ (1975-1995гг.); НТС "Вопросы сжигания КАУ в мощных парогенераторах" в Красноярске (1973,1978гг.); семинар кафедр МАИ, ЛенВВМИУ, КазГУ.ЛПИ; совещаниях ВТИ.ЦКТИ,ТКЗ, ЗиО; на международной конференции: "Проблемы энергетики Казахстана" в Павлодаре (1994г.) и др.

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ диссертации заключается в экспериментальном обосновании широких потенциальных научных и прикладных возможностей закономерностей развития трехмерных струй,

ОСНОВНОЙ ВКЛАД автора диссертации:состоит: а) в постановке задачи; б) в организации и участии в реализации комплексного исследования струйных процессов в камерах смешения и сгорания в лабораторных, факельных, опытно-промышленных и натурных условиях; в) в анализе, обобщении и математическом описании результатов эксперимента; г) в разработке смесителей камер сгорания газовых и парогазовых турбин, аэродинамических вводов газов рециркуляции в верх топочной камеры мощных энергоблоков и газовых регулируемых горелок на уровне изобретений и методики их расчета; д) в организации внедрения результатов исследований в производство со значительным экономическим эффектом и в учебный процесс.

СТЕПЕНЬ ДОСТОВЕРНОСТИ научных положений и результатов исследований обеспечена широким диапазоном изменения определяющих параметров; детальным изучением полей скорости, температуры, статического давления и интенсивности турбулентности; применением современной измерительной аппаратуры и строгим соблюдением требований по эксплуатации; регулярным контролем режимов эксперимента; оценкой ошибок измерений и принятием специальных мер по достижению необходимой точности эксперимента; проверкой выполнения законов сохранения энтальпии и потока импульса струи, предельных переходов, повторяемости результатов, принципов моделирования; сравнением полученных результатов с известными литературными данными.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

а) разработка комплексной методики эксперимента и участие в создании экспериментальных установок по изучению трехмерных струй в слабонеизотермических, неизотермических, факельных, опытно-промышленных и натурных условиях;

б) экспериментальные данные, результаты их обработки, анализа, обобщения и описания методами эквивалентной задачи теории теплопроводности, теории смешения многокомпонентной жидкости,струи--источника,теории идеальной жидкости, теории подобия, анализа размерностей и др.;

в) структуры течения трехмерных струй различной формы и механизмы их взаимодействия между собой и со сносящим осесимметрич-ным, трехмерным и закрученным потоками;

г) эффекты трансформации трехмерных струй в осесимметричное течение, образования парных вихрей в сносимых струях, поперечнос-ти потоков, выражающихся в наибольшей интенсивности их смешениями слияния соударяющихся струй, а также - струйной стабилизации пламени, обеспечивающей устойчивое горение газового топлива в широком диапазоне изменения избытка воздуха (от 0,5 до 6) и длины факела (от 2 до 12 калибров);

д) эмпирическая модель описания закономерностей развития трехмерных струй (поля скорости, температуры, статического давления, интенсивности турбулентности, концентрации горючих компонент и окислителя, границ, траектории, осевых параметров и др.);

е) полуэмпирические формулы траектории, дальнобойности, расхода, аэродинамических сил, коэффициента аэродинамического сопротивления сносимой струи;

ж) методы струйной организации процессов смешения, стабилизации пламени и горения и расчета смесителей камер сгорания.аэродинамических вводов газов рециркуляции в верх топочной камеры мощных энергоблоков и газовых регулируемых горелок.

ПУБЛИКАЦИИ. Материалы диссертации опубликованы в 73 научных работах и 10 изобретениях.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов. Общий объем работы составляет 369 страниц, включая 126 рисунков, 32 таблиц, списка использованных источников литературы из 330 наименований и приложения(баКтоЬ

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, задачи исследования и методы их решения и изложена сущность проделанной работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведено экспериментальное исследование и установлены закономерности аэродинамики и теплообмена турбулентной прямоточной струи воздуха прямоугольной начальной формы с различным соотношением сторон (Пр2 а0 /гё0 =1,2,3,5,20)/58,86/.

1°. Показано, что характеристики развития и смешения прямоточных струй прямоугольной формы в зависимости от начального значения соотношения сторон изменяются в диапазоне от круглой до плоской струй (рис.1.2). Это обусловливает широкие возможности их практического применения.

2°. Установлена динамика перестроения трехмерной струи в осе симметричное течение (1964 г.), названного в литературе (.И.Е. Иде льчиком, 19с32 г.) в числе интересных эффектов в аэродинамике. Сде лана попытка объяснения механизма этого эффекта путем иллюстрации наличия вихрей скорости в углах прямоугольного сечения. Такое объ яснение согласуется с представлениями А.Агулыкова, К.Е.Джаугаштин и Л.П.Ярина (1975 г.) о порождении энергии, обусловленной градиен том скорости с указанных участках трехмерной струи.

3°. Поля скорости и температуры прямоточной струи прямоугольной формы с различным соотношением сторон рассчитаны методом эквивалентной задачи теории теплопроводности по решению задачи

где<г(Х) определяется сравнением экспериментальных (см.рис.1.2) и теоретических данных по изменению осевой скорости:

/53/:

(1.9)

интеграл ошибок.

о

Рис.1.2. Изменение плотности потока импулса Sc/ojiù оси исследуемых Струй. Значение п: /-/; 2-2 ¡ 3-3; 4 -S ; 5 - 20 ; б-fi/jocxa я (t)^zO:a'Olaç(UmofUtp0^4)2s)PO Гурщеу ß.#. [57])Ц 7-КруглДЛ (&• а, 065; UmajUipo * 0,97 ) струи - источникц по Абрамовичу f.H.[6i>L

0,0,В,® - ра-счет по (uz)[93] для и = 2,3,5,Zo(n=aJS0). [9Ъ]-ШатаеИС.и.,Тарасоё СА^шеусЬГ.,ЖангуноёО.-Ве1Ш5рщегШ№г№Ш

4°. Показано /86/, что турбулентное число Прандтля прямоточной струи прямоугольной формы с различным соотношением сторон постоянно по всему полю течения и равно = 0,75+0,05. Это позволяет решать тепловую задачу с помощью формулы Г.Райхардта/87,К

йТ/Лт = (а/О^Ти. (1.19)

5°. Показана /89/ одинаковая эффективность применения метод; эквивалентной задачи теории теплопроводности как в случае представления системы струй в виде одного течения со сложным начальны» профилем (схема А), так и при ее расчете методом суперпозиции (схема В) на основе использования известных данных одиночной струи прямоугольной формы. Расчетные параметры эквивалентной задачи с учетом экспериментальных данных М.А.Изюмова и Д.М.Хзмаля-на для модели топочных устройств с плоскопараллельными струями получены следующими: _

по схеме А: - (X)1,35 ; (1.28)

РчТи - а„/ ат ='о,ош / 0,017 = о,8з: а.зо)

по схеме В: /срв = 0,036 X. (1.31)

Использованные в этой главе параметры трехмерных струй - соотношение сторон и эквивалентный диаметр равновеликой площади нашли полезное применение до конца данной диссертации.

В настоящее время изучаются когерентные структуры и турбулентные модели расчета прямоугольных струй (Л.Н.Войтович, Л.Н. Уханова, С.И.Исатаев, С.Б.Тарасов, Г.Толеуов .О.Жангунов; З.Ш.1ума-ев, А.Пиримов, С.Ходжиев и др.).

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ приводятся основные результаты исследования закономерностей развития и смешения турбулентной струи воздуха различной начальной формы, распространяющейся под различными углами к однородному сносящему потоку в слабонеизотермических и неизотермических усливиях (0 20, И = 1,2,3,5,52; оС0 = 30,45,60,90, 120,135,150°; с^ = р у*/ ¿ -у? = 3,6,10,16,25,100 и =1;

2,1; 3) /141,148-151 и др./.

1°. Исследованию сносимых струй посвящено много работ.Известные теоретические (Г.Н.Абрамович, Н.И.Акатнов, Т.А.Гиршович.Г.И. Таганов, Г.С.Шавдоров, А.М.Эпштейн и др.) и экспериментальные (Ю.В.Иванов, Г.С.Шандоров, Дж.Ф.Кеффер и В.Д.Бейнз и др.результаты относятся в основном к определению ее траектории и в меньше?

мере к исследованию закономерностей всего поля течения осесиммет-ричной струи, распространяющейся нормально к сносящему потоку.

Особое место среди работ по сносимым струям занимают известные монографии Юрия Васильевича Иванова, посвященные исследованию аэродинамики и теплообмена эффективного сжигания надслойных горючих газов в топках, расчету и проектированию горелочных устройств, и Татьяны Александровны Гиршович: "Турбулентные струи в поперечном потоке" (М.¡Машиностроение, 1993.-25бс.).

В последней монографии систематизированы данные и разработаны модели расчета течения в плоских струях в безграничном и ограниченном поперечных потоках и в круглых струях в .безграничном поперечном потоке на основе применения метода интегральных соотношений.

В отличие от известных из литературы данных нами систематически рассмотрены сносимые струи прямоугольной начальной формы с различной ориентацией относительно сносящего потока.

2°. Полученные результаты по структуре сносимой струи дополняют известные данные Ю.В.Иванова и Г.С.Шандорова и позволяют представить общую картину ее течения. Зжектируемая среда вместе со~ сносимой потоком периферийной частью струи обуславливают общее движение в зону наибольшего разрежения. Это "коридорное" (Г.С.Шандоров) течение в последующем своем развитии под воздействием более мощного течения в центральной части струи принимает ее направление. В результате происходит разделение зоны максимума скорости и температуры на две боковые области вихревых шнуров, известных в литературе (И.Е.Идельчик) также как один из интересных эффектов в аэродинамике.

3°.Интенсивности падения избыточных максимальных значений скорости и температуры описываются эмпирическими формулами (рис.2.12):

[ «,0?*

1-ехр

"VU lir g

+ X

( f ) ht- ul (Э

го

О}

с

II

« 5 ~ V Лс 3

цс

1 FQ- A ? О • 1

i

.'и

IM

Ni

Ч

\ e >

* «a с \ Л Л ь c

\

сЗ1 \ • V

» § si*

slsi SI;:*

In

s- V

Ht

-M N ill

Ht; * *

--S '

l^i^Lti

t y s* §

§ Sâ« ^ SLIP ",

s;

7

коэффициенты которых зависят от oCQ и начальной формы струи /141, 148-150 и др./ например. К, = -1/3 и -2/3; Кт = -1/3 и 1/2 соответственно для круглых и прямоугольных отверстий.

Профили избыточной скорости и температуры в поперечных сечениях, нормальных к плоскости симметрии струи, вдоль ее траектории импульсов, аппроксимированы в обобщенных координатах Елихтинга.

4°. Сохранение относительного значения избыточной энтальпии вдоль оси сносимой струи (рис.2.12е)/141/позволяет судить о точности и надежности экспериментальных данных по определению полей скорости и температуры и расхода струи.

5°. Темп нарастания расхода,выраженный для oi- 900 отношением

ГП*= G/( C/dJ , (2.21)

увеличивается с уменьшением су и при [—«-0 резко падает до единицы (рис.2.17з). Это согласуется с общим представлением о предельном переходе сносимой струи в затопленную или спутную струи при су —■0.

В области с£0 > 90° темп нарастания расхода определяется выражением (рис.2.17):

ctyrf-0.8 П1*- G/( £/d0) • (2.22)

Самое большое значение максимального темпа нарастания расхода соответствует значению о(о=90° и су = 3 (рис.2.17з,и,к)/157/. Значение гидродинамического параметра .соответствующее ГП%ах, гиперболически падает с ростом с<0 от 30 до 90°, а в области

от 90 до 150° гиперболически растет, причем при cLQ = 150° /71*пе-рестает зависеть от

Наши данные по значительному нарастанию массозого расхода сносимой струи (рис.2.17а-ж)(на порядок больше,чем у затопленной струи) качественно подтверждаются аналогичными данными,полученными А.Ф.Хритининым и С.И.Трофимченко в канале 180x180 мм. Их данные по сносимым треугольным струям с острием против потока при су = 6,6 совпадают с нашими для П=2_ при су=5,8 и о^0=90°, а в случае с острием треугольника по потоку на 25+30$ меньше.

а) ■

Ю /Л

— Ш

V

Ж, /

$/ V/

<л в> I > + X 1 /

с*

1

Й г ^ [ ё } а*

"З4 >

^ «а

гис.%$Мз,меиение расхода бЗом оси сносимой струи; йДв, г,е^-Ы^ЗО.Ю, ЬО,90.ЩН5,V,МО,2?, 16,10,б.з§,и) забасиКОСЛ интсни/бюсть нарастания расхода Л7*оп? ди с^ * к) з&бисимоам максимального ш от оСа

Путем разделения общего избыточного расхода круглой сносимой струи на составляющие из эжекции, обусловленной естественной турбулентностью, механического проникновения потоков и влияния начальной геометрической формы струи нами показано /151/, что турбулентные составляющие расхода сносимой струи тахие же,как у затопленной струи с механическим турбулизатором, имеющим примерно такую же интенсивность турбулентности,как у исследуемой сносимой струи.

6°. Получены эмпирические формулы передней, нижней и боковых границ, траектории струй различной начальной формы, распространя.-ющейся под различными углами к однородному потоку.

7°. Уравнение движения элемента сносимо? струи как тела пере-иенног массы получено в форме ypaвнгниF И.В.Мещерского:

= (2.45)

Конкретное применение (2.45) требует знания направления главного вектора внешних сил. В этом отношении существенную роль играет принцип наименьшего действия, экспериментально установленный нами з /141/ применительно к струе в поперечном потоке. Согласно этого принципа струя в сносящем потоке устанавливается по такой траектории, что вдоль нее действие внешних сил равняется нулю:

= с[^созоС - обу 51 поС= 0. (2.51)

Записывая (2.45) в ввде проекции на оси I :

= )) 12.52)

и сравнивая его с (2.51), находим выражение принципа наименьшего действия в сносимой струе в более общем виде /155/, чем в /141/:

«I дат) = ¿(7пеат). (2.53)

Полученное указывает на то, что изменение количества движения элемента струи в направлении касательной к ее траектории обуслов-

лено соответствующим изменением количества движения сносящего потока в том же направлении за одно и то же время.

Закон сохранения количества движения центра масс требует равенства главного вектора внешних сил нулю. Из теоретической механики также известно, что если сумма проекции всех действующих внешних сил на какую-нибудь ось равна нулю, то проекция количества движения системы на эту ось есть величина постоянная. Такой осью, как это показано нами экспериментально в /141/ и выше /155/ теоретически, является траектория сносимой струи.

Закон сохранения количества движения (2.53) в интегральном

виде:

Ы (2.57)

А 0

совпадает с полученным ранее в /141/ методом контрольной поверхности конечного объема.

8°. С учетом линейного характера нарастания ширины сносимой струи в проекциях на нормальную к основному потоку плоскость /141, 149.153 и др./

. б= + С^ (2.60)

получены следующие приближенная и уточненная формулы массового расхода сносимой струи /155/:

g - Qq . »

г. -5Г

СО

V +

12.61)

sf Щ <V

-2-У)У+2£^Г(В0+сУ) со5^-В0со^,(2.62)

где В0= $0/oig; У^у/Ь^ и с=а/$ - отношение передней и боковой

толщин сносимой струи. Аналогично получено приближенное уравнение расхода плоской сносимой струи в виде /155/:

G = I +<о.

пл

(l+ СаУ)соSdi- соs сС,

(2.63)

где Са- коэффициент нарастания ширины плоской сносимой струи; У=у/ й01 А0 " начальная ширина плоской струи; <опл - коэффициент влияния разрежения за плоской сносимой

струей на нарастание расхода, равный 2 ар/(рп"Уп2)=0,7 при оС0=90° (данные Т.А.Гиршович). 9°. Интегрированием (2.45) получены уравнения аэродинамической силы сносимой струи в виде /155/:

'%0-Г —- = с - с05с>Сп) £п С; (2.70)

АЙо V"*

3 - Jbl— ^-Slnujnl:

(2.71)

У

^сн= ГВ0+ СУ)с£У, (2.72)

где (¿=dy/dx.

Знак приближенного равенства в (2.72) принят в связи с тем, что в слагаемом уравнения расхода (2.62), уточняющем расчет, допускается:

cos сС = 1 = I, (2.73)

I +U

т.к. при малых значениях траектория искривляется сильнее и поэтому '\Lc*szSi, а при больших ^ величины аэродинамической силы малы (см.(2.72)). В условиях допущения (2.73) уравнение (2.62)ис-пользуются с точностью 4*11$ при с^ =3*25 б виде /142/:

dG ~ JL-

Jl

^(1+Хбс2)(Вп+ СУ)(1У. (2.74)

у 4 0

Аэродинамическая сила сносящего потока,действующая на сносимую струю, получается из (2.72) с учетом (2.74) в виде:

£сн= п = -X (1ДбС2)(Вп+ СУ)У. (2.75)

Сила сносящего потока, действующая на элемент струи, с учетом коэффициента аэродинамического сопротивления Сп записывается по Г.Н.Абрамовичу в виде:

d<*m - "Г" JnVn ^cLÍdí. (2.76)

Сравнивая (2.75) в дифференциальной форме с (2.76), получаем следующую формулу коэффициента аэродинамического сопротивления сносимой струи /155/:

С = 2 + — 6ГС2. (2.78)

п 2

10°. Для решения задачи об искривлении струи в сносящем потоке принцип Даламбера записываем применительно к элементу струи, следуя Ю.В.Салову и В.А.Семашко, в виде /155/:

d%H = - Kd846' ^2-79>

где dg*nH - аэродинамическая сила потока,действующая по нормали к направлению касательной траектории t в центре элемента в сторону вогнутости траектории; - центробежная сила рассматриваемого элемента струи;

к - коэффициент структуры сил, отражающий влияние неучтенных факторов (изменение статического давления, возникновение поперечных циркуляций).

С учетом (2.75) и, принимая в (2.79) вместо центробежной силы выражение центростремительной силы элемента струи-.

¿^.éjJÚlL.jL^^i, (2.80)

получаем уравнение траектории в виде /155/:

ЦП?

СО^

и ¿и

{йиуг

Если к=1, то (2.56) приобретает более простой вид:

(2.96)

иг

Подставляя известное соотношение:

Ло_

■ (2.97)

с(£ = (( I +а2)///2)°'5с£у

(2.102)

в (2.96), находим уравнение дальнобойности сносимой струи: У

-к'!«

С, ¿У

к со

■С05оС0)? и'' с!ц (и1 у

(2.103)

II . Представляя поперечное сечение сносимой струи по Ю.В. Салову и В.А.Семашко в виде эллипса с осями "а" и координаты передней границы в каждом ее поперечном сечении вычисляем по формулам /156/:

уп = Ут + + су )со^;

(2.104)

х„ -

(5"

(£ + су ) 5ШОС.

(2.105)

12°. Линейная зависимость ширины сносимой струи (2.60) указывает на возможность существования локальной автомодельности поперечных профилей скорости и температуры (сравните участки аб^ и аб2 ; а'б и а'б^. и др., рис.2.33а)/15б/:

п

У(уАг*посг)-1&(е) . (2 108) 7г . 7(1/,?, 2=пост)- Тп . (2 109)

где ут - координата, отсчитываемая от траектории и нормальная осям ? к

Поперечный профиль скорости представляем в виде соотношения А.М.Эпштейна и В.Емельянова (у^=0):

УТ2( = кй/>2 (7ср- Уп£), (2.110)

где интексы 1,2 - внутренняя и внешняя зоны струи относительно линии максимумов скорости (температуры). Выражая средние значения скорости и температуры в соотношениях вида (2.110) с помощью формул массовых расходов сносимой струи (2.61)-(2.63), локальные поперечные профили скорости и температуры (2.108) и (2.109) представляем следующими расчетными формулами /155/:

п т _ У~-Уп£ _ . ТТ7\

^ ■ - —• С2Л17)

тп

Т к = -^ - Кт1'2 _р 0 (2.118)

1 То" Тп Ср 5

13°. Значения коэффициентов нарастания границ (С;<5"), локального подобия полей скорости (температуры)(к^ ), структуры сил (к) установлены путем сравнения приведенных выше расчетных формул с экспериментальными данными /156/(например,см.рис.2.32и2.33б),

о) м',. Цси 1 ' с 90°

/ и У 1 < / / ь /V 60°

о 1 " \ \ 30°

• \ Г*1"

,4

1

б щ9 о

р/ •6

¥ ¥ |п»з -А п^л'

i -й»

% ^ /

0 В х/

24 0 О в Йвхв 3 0 о ао,Х0 \

ё ^ъ ыч \

й] К

"г 31

а)

£ Д-25 Д-/0 д- 3 ✓

/ 1С

/

* Ш

п п 0 Ь * Ш3)шсп.

РисЛ32.Траекторс/Я распространения: О.-круглой и-

о,о -прямоугольной струй----по Линии цент роб импульса;-—

-расчет ^по (гер^(2$&) и (гЩ —-расчет передней границы сносимой апруи по (гт) и г-кругмя струя; д-П*г=.

6) -0 У 0 - О о

т- --о Г 'гг/5- N >0,3 \ V

0 0,25 0.50 21/,/а„ 0.25 0.50 0,25 0.50 2^/ат гфт 0.50 0.25 гфт 0.50 0.25 гфт 050 0.25

-0 о /7 < 1О о т. г' у" о пу'

/ гг!§ =0 \ У ги!5- '0.33 л- 4 4 ч

О 0.25 0.50

0.15 0.50 гу/йу 0.15 0.50

Рис. т. О,-схема, сносимой струи с основными обозначениями^ профили избыточной скорости- о}- и температуры - ---6 поле течений, круглой сносимой струи,

Ы;=9а°, 1=25) точки по и (2.Щ), линии - пробили 6 изогнутой плоскости траектории; 6~, 6- Ш0- 6,0;£5".

14°. Уравнение траектории сносимой струи (2.96) было получено в условиях записи закона сохранения количества движения (2.57) вдоль ее траектории. Более простое решение задачи получается,если, следуя Г.Н.Абрамовичу, воспользоваться законом сохранения потока импульса струи, записанным в проекции на ось у (нормальную к потоку) в виде:

£шоС=З0У0 ¿гпо(0. (2.66)

Если аэродинамическую силу потока (2.76) и центробежную силу з уравнении равновесия сил (2.79) также принять по Г.Н.Абрамовичу:

цо К ¿¿поС

:о в условиях независимости <3 от координат решение задачи получайся в виде, аналогичном решению В.И.Бакулева, В.А.Голубева и КС.Макарова:

X

2

^-(В0 + У) У2 + У с^0, (2.125)

где

2А

а = ^АЩр^ . (2.124)

- параметр дифференциального уравнения; Х=х/о1э; У=у/с^;В= ^/о^.

Коэффициенты Сп, с, б (как удвоенное расстояние мезду передней границей и траекторией по нормали к последней) и к"определена сравнением теоретических уравнений и эмпирических формул траектории

ус = Ат(асу/Ы0)2'^ ас_У_ ,

с10 ^ ^ Я-»

■де ас=и,065 - коэффициент структуры струи, определяемый по мето-,ике Г.Н.Абрамовича;

а=1,2 и Ат=160+220 (*0 =30*90°); а=0,58(Сй^Г0'83

и ат=1б(с^&оСо)-°-33 (с^о(0)"3'5 (150а.^>90°);(2.2)

боковых и передней границ сносимой струи круглой начальной формы (о = 3*25; = 30-150°) /149/.

' Для определения значений расчетных коэффициентов использованы эмпирические уравнения траектории, боковой и передней границ прямоугольных сносимых струй (с^ = 3*25; о£0 = 30*150°) /158/.

В рассматриваемых двух подходах /155,158/ общим исследованным режимом является с^0=90°. Их аэродинамические коэффициенты совпадают (кроме Сп,отличающегося при =25 на 7%) и равняются: Сф =

= I,80*0,95; С2= = 0,76*1,80; <оф =0,50*0,65; <о2 = =1,06*2,20;

Спф = 4,54*2,93; С = 2,96*13,2; Кфу = 0,73*0,80; (К^ = = 0,55*

* 5,5) в диапазоне изменения (у=3*25. При су = 25 отличие ( К^ = = 0,80)/(Кг = 0,62) = 1,29?. Аналогичные данные для о^0=45,90 и 135° приведены в /155,158/. Таким образом, такое количественное согласие указывает на практическую равнозначность применения уравнений закона сохранения количества движения сносимой струи в проекциях на оси у и В диапазоне (у=3*25 и о£о=30*150° весь интервал изменений исследуемых аэродинамических коэффициентов составляет: Сф=0,95*1,80; С2= = 0,75*2,04; <эф =0,37*1,14; <5"2 = =1,06

* 2,20; Спф = 2,93*5,57; Сп = 2,96*13,2; Кф=0,52*3,80; К- =0,55

* 3,50. 2=

Известные нам из литературы данные по коэффициенту аэродинамического сопротивления А.В.Подшивалина и И.П.Мотылинского Сп=2 для веерных струй, Г.С.Шавдорова Сп=3,8*5,3 и наши Сд=4,0*4,3/142/ полученные несколько другим образом, для круглых сносимых струй согласуются с приведенными выше:

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ исследуются закономерности распространения слившейся струи, образованной соударением двух одинаковых круглых и прямоугольных струй на различных расстояниях (Ь/0^=1*7,5) под различными углами в неподвижной среде (оС=30*90°) и в сносящем воздушном потоке (2^=60*300°) /137-191,193 и др./.

Известные результаты исследований распространения слившихся струй ограничена узким диапазоном изменения угла встречи соударяющихся струй (менее 400,), определенным расстоянием между ними и изо-термичностью их течения.

1°. Установлено уравнение направления слившейся струи:.

• (3'3)

с + и % са?о<

Показано, что в диапазонео<.=0*900 импульс возвратной струи незначительный.

Соотношение (3.3) устанавливает связь между начальными импульсами соударяющихся струй, углом соударения и направлением слившейся струи. В частности, при = «X, из указанной формулы получаем, что =°£/2.

2°. Результаты сравнения расчета распределения скорости в поле течения слившейся струи с опытными данными В.И.Миткалинного показали, что метод эквивалентной задачи теории теплопроводности позволяет проводить вполне удовлетворительное описание полей скорости слившейся струи. При расчетах эквивалентное прямоугольное поперечное сечение слившейся струи в месте начала ее образования принято со сторонами: аэ=14;10;8;7 и #э=19;24;25;27 соответственно для оС=10;20;30;40°.

3°. Значения скорости и избыточной температуры вдоль оси слившейся струи описываются эмпирическими формулами:

и

где и^(х)1и„ - безразмерная осевая скорость затопленной струи; оС- угол соударения струй в градусах; а,5,В,г,д,А /а][/<59/.

Изменение статического давления вдоль оси слившейся струи показывает его повышение перед слиянием соударяющихся струй и снижение за ним с дальнейшим приближением к давлению окружающей среды к концу слившейся струи (рис.3.16). Изменение статического давления тем более резкое, чем больше угол встречи соударяющихся струй. Оно обусловливает характерное формирование поля течения слившейся

Рис. 3.16. Изменения сргатичесиого дарения, и ишенеиёноати. ггцрЪухенгп-ности Ьдоль Oí и. слившейся струи: ос = 60°^ h =50мм

струи с начальным сужением границ в плоскости угла соударения и расширением в поперечной к углу соударения плоскости. Установлены закономерности изменения отмеченных границ слившейся струи.

Опытные данные по скорости и температуре в различных поперечных сечениях слившейся струи описываются известными формулами Шлихтинга. .

4°.0еввие интенсивности турбулентности слившихся струй зависят ото£.=30*у0°й совпадают между собор для 0 и ПГ =1,2,3, 5.Их изменения Ти^оЦС) в отличие от интенсивности турбулентнвстн затопленных струй'носят экстремальный характер и имеют большие значения /190/.

Нами выделены условно три участка: начальный, активный и релаксационный (см.соответственно участки 1,11,111 на рис.3.16).

Максимальное значение осевой интенсивности турбулентности Т растет: 0,25; 0,27; 0,29; 0,33; 0,37 с ростом о£=30,45,60,75, 90 и при поперечном соударении струй (сг=30°) достигает уровня, генерируемого при распространении осесимметричной струи нормально к сносящему потоку (Тит= 0,35*0,40 /141/).

Значение интенсивности турбулентности в начальном участке слившейся струи практически не зависит от интенсивности турбулентности отдельных струй в месте соударения (0,025*0,1) и равно 0,10+0,02.

Чем больше угол соударения струй, тем меньше длина начального участка (с увеличением оСот 30 до 90° уменьшается примерно с 2-х до 0,8 диаметра струи) (см. участок I на рис.3.16)/157/:

iXH 3/4 0,11 h/dg

н = - (i + -^ (){)

^ ¿1пК/2) з in(°i/2)

Координата наибольшего значения осевой интенсивности турбулентности слившихся струй может быть оценена по эмпирической формуле /190/:

( Х " = 10 - 0,07оС°. (3.17)

I

Показано наличие определенной связи интенсивности турбулентности с полем статического давления слившейся струи(см.рис.3.16):

р = Рст + ~ J С и2 * У.'2 ). (3.19)

В периферийных частях и к концу слившейся струи аксиальная интенсивность турбулентности достигает 50*6С$ от значения местной осредненной скорости /190/.

Интенсивность турбулентности слившейся струи в потоке несколько выше /X93/ , чем в неподвижной среде, и растет с ростомоС и о и уменьшением ii/oig.

5°. Изменения температуры и скорости вдоль оси слившейся струи в потоке (2о£0 = 180°) описаны эмпирическими формулами /193/

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ изучены закономерности развития и смешения трехмерных струй при таких дополнительных (к предшествующим) условиях как взаимодействие их между собой, стесненность ограничивающими течение стенками канала, форма канала (0250, А/В=1+2,5).крутка сносящего потока и другие, которые позволяют получить результаты исследования применительно, главным образом, к разработке наиболее эффективных смесителей камер сгорания газовых и парогазовых турбин и аэродинамических вводов газов рециркуляции для снижения и выравнивания выходной температуры продуктов сгорания по условиям шлакования в верху топочных камер парогенераторов мощных энергоблоков и их методов расчета. Основные результаты решения такой задачи сводятся к следующему /207,220-222 и др./.

1°. Проведено подробное экспериментальное изучение возможностей известной из литературы модели смешения "равномерно по сечению" (терминология Ю.В.Иванова) и получено, что центральная область цилиндрического смесителя остается недоохлажденной, а мно-горядность (3 группы четырехрядных отверстий) смесителя, требующая для ввода струй половину длины смесителя, сводит на нет саму цель по обеспечению короткого участка смешения.

3 результате последовательного исключения периферийных рядов отверстий (струй) на основе экспериментальных данных показано,что лучшее качество смешения сносимых струй достигается при направлении всего охлаждающего воздуха струями одного ряда в центральную область смесителя круглого поперечного сечения, причем количество отверстий уменьшается в сотни раз. Результаты исследования развития системы ограниченных сносимых струй по модели смешения "все в

центр"(терминология Ю.В.Иванова) согласуются с литературными данными и подтверждаются результатами исследований прямоугольных камер смешения с различным соотношением сторон. Наряду с этим получено, что оптимальные значения глубины проникновения струй газов рециркуляции для тангенциальных топок зависят от ориентации направлений струй по касательной к окружности условного диаметра.

2°. Показано, что стесненность газовых потоков в камерах смешения хорошо учитывается начальным соотношением объемных расходов струй (/>с и потока Я)п((Рх~% + Рп) по зависимости Хаусорна-Род-жерса-Зацека для глубины проникновения системы сносимых струй:

А, . _|п . (,.5)

Д Д У ■

Экспериментально установлены значения множителя пропорциональности в (4.5) в зависимости от геометрической формы канала и схемы вводов газов рециркуляции, а также - оптимальные значения глубины проникновения сносимых струй (Ьопт /Д=0,5+0,1) и относительного шага между ними ((^опт =1,9+3,4).

Показано, что встречные сносимые струи в канале не пересекаются и образуют в центральной области канала слившуюся струю.Фактическое предельное значение глубины проникновения встречных сносимых струй составляет ЬПред =0,57Д.

Установлены закономерности развития и смешения одиночной и системы струй различной формы (траектория, границы, изменения осевых значений скорости, температуры, статического давления и интенсивности турбулентности) в смесителях круглой и прямоугольной (с различным соотношением сторон) формы в зависимости от схемы их ввода под различными углами к однородному и закрученному сносящему потоку.

Поперечные профили скорости и температуры сносимых струй в канале описаны формулой Илихтинга.

На основе известной теории смешения многокомпонентной жидкости получена формула выравнивания температурного поля газовых потоков в смесителе. Соответствующие эмпирическая и полуэмпирическая формулы имеют вид: /222/

(Т^- Т5)/(Т£- Тч) = ОД (¿СаГ1,35; (4.16)

ЛТ/ЛТ0 = ехр(-2 Ш + 0,2), (4.21)

где Тт,Т£ - абсолютные значения максимально? и средне? по радиусу температур 1 сечениях канала X/Д - 0,4; дТ,дТ0 - меетная и начальная разности температур.

Разработаны методика расчета камер смешения струйного типа и условия их моделиро!ашя /222/. Камеры смешения, рассчитанные по этой методике, исследованы на различных слабонеизотермических и неизотермических моделях АЭИ и КазНИИэнергетики, укрупненном изотермическом стенде Сибтехэнерго, огневом стевде Урал ВТИ и в натурных условиях на заводе "Экономайзер" и Назаровской ГРЭС. Она опубликована в качестве справочного материала /222,174/ и включена в руководящие указания /32/.

Измерения интенсивности турбулентности и прикладные аспекты результатов исследования систем сносимых струй в части защиты от шлакования и повышения надежности эксплуатации топочных камер, а. также нейтрализации отработанных газов от вредных веществ тепловых двигателей выполнены на уровне изобретений /287 и др./.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены результаты исследований струйной организации и регулирования процессов смесеобразования и стабилизации пламени в камерах сгорания на примерах разработки конструкций и методов расчета газовых регулируемых горелок (ГРГ) применительно к производству клинкера серого и белого цемента во вращающихся печах в слабонеизотермических, факельных, опытно-промышленных и натурных условиях /175,309,313- 315,320,322 , 323/.

1°. Регулирование характеристик факела является решающим фактором оптимальной организации и интенсификации технологического процесса производства клинкера и снижения удельного расхода топлива, подавления образования вредных веществ при горении. Для решения такой задачи нами предложена струйная организация и регулирование процессов смесеобразования, стабилизации пламени и горения с активным использованием кинетической энергии воздуха, подаваемого на горение,в веде сносимых струй /175,292 и др./. Основанием для этого служат особенности трехмерных течений, рассмотренные в предыдущих главах.

2°. Струйная организация процессов горения может достигать-

ся путем разделения воздуха, подаваемого на горение, на два потока, один из которых направляется в виде системы струй под углом к направлению движения другого (сносящего) потока, и подачи топлива в высокотурбулизированную зону активного взаимодействия воздушных потоков. Регулирование геометрических характеристик и эмиссионных свойств факела обеспечивается посредством изменения соотношения расходов воздушных потоков Щ^/у^) /175/.

Не исключается и возможность дополнительного использования кинетической энергии струй топлива, хотя она сравнительно мала. Ориентировочный расчет регулируемых горелок может быть выполнен по методике расчета смесителей камер сгорания ГТД /222/(см.гл.4). Методом анализа размерностей получена зависимость относительной длины факела, образованного горелкой длиной 2Д от места ввода воздушных струй и распространяющегося в неограниченной воздушной среде (в диапазонах изменения коэффициента избытка гсздуха <=¿=0,5*6 и длины факела = 2 * 12Д) /175/:

£ф/Д - 8,65ОС:°.^(У>п/Ус)°'257о<г0'686. (5.6)

Аналогичные результаты получены при организации горения з длинной тру.бе (£=ПД). Эффект регулирования в канале носит несколько затяжной и более плавный характер /175/.

3°. В качестве математической модели аэродинамики и теплообмена камер смешения и сгорания показана возможность локального применения расчетного метода струи-источника з предположении о постоянстве коэффициентов турбулентного обмена в форме универсального постоянного "турбулентного числа Рейнольдса" по М.А.Гольдштику:

¡)т = Сйет = пост, (5.14)

С учетом значения С == 0/2,56, полученного путем сравнения формул осевой скорости осесимметричной струи-источника и по теории Толмина-Абрамовича, и Р« = 0,75 /308 и др./ получаем следующие расчетные формулы для затопленной круглой струи /309/:

и /ил = (I + 0,307^г2; (5.20) дТДТ^ = (I + 0,307/)"3/2; (5.21) ДТ /ЛТ0 = 0,80/0Х/го , (5.22)

где^=2/0Х; й - коэффициент структуры струи (по Г.Н.Абрамовичу).

С учетом значения £ет = 35, полученного М.А.Гольдштиком на

основе решения задачи с применением принципа минимум* диссипации энергии, и &= 0,073 находим = I м /с, что намного больше молекулярного коэффициента кинематической вязкости, как это допускалось в начале решения задачи. Расчетные донные по (5.20)-(5.22) хорошо согласуются с решением Толмина-Абрамовича и опытными данным Рудено для осесимметричной турбулентной струи /309/.

Таким образом, рассмотренная математическая модель позволяет рассчитывать аэродинамику и теплообмен камер смешения и сгорания струйного типа без привлечения дополнительных эмпирических коэффициентов.

Аэродинамическая структура опытной слабонеизотермической модели камеры сгорания типа ГРГ включает систему соударяющихся боковых струй, центральную струю газового топлива, и слившуюся струю, имитирующую факел /313/.

Экспериментальные данные для различных значений количества боковых струй и соотношения расходов воздуха на сносящий поток и боковые струи описываются формулами (5.20)-(5.22). Интенсивность смещения соударяющихся струй очень высока и не зависит от их числа. Их смешение заканчивается к Х/с/э=б (Х/Д=0,46)(рис.х). Поперечные профили скорости и избыточной температуры слившейся струи идентичны профилям затопленной струи. Однако, осевые профили избыточной температуры (см.рис.х) и скорости изменяются значительно сильнее, чем у обычной затопленной струи.

Центральная струя тормозится, перемешивается и вместе с возвратным течением вытесняется к периферии канала и распространяется мезду боковыми струями. Такая структура течения подтверждается данными хроматографических исследований факела ГРГ /319/.

Увеличение количества боковых струй ведет к интенсификации процесса смешения центральной струи с возвратной струей и при й^ =10 практически достигается полное ее смешение до плоскости ввода боковых струй во всей области регулирования факела ГРГ при изменении Фп /ус = 0,00*0,20 (см.рис.к).

4°. Проведены подробные исследования структуры факела ГРГ на факельном стевде (Д=80 мм, с1с=5,5 мм, П,с=10, ^ =4,57, ¿р = 6 мм,

1,03; 1,08; 1,15; 1,50 и <РП /у>с = 0,00; 0,10; 0,15; 0,20)при теплонапряженности исследуемой камеры сгорания, эквивалентной промышленной печи 3,6x150 м С-ТЦЗ,равной 5,5 МЗт/м2 /292,314/.

Определены поля скоростей, температуры, концентраций и степень В1 горания топлива по длине факела ГРГ. Горючие компоненты (Нр. СО)] факеле ГРГ распространяются по периферии,а окислитель (02)-по еп оси.

Осевые профили полного напора и температуры значительно круче соответствующих профилей затопленной струи. Они описываются Э] лирическими зависимостями /315,292/ (ТЩфЯ;0,75 Тад):

Рох / Р^ = 0,05 + 0,20'ЗЗХ/Д; (5.28)

Тох / Т^ = 0,2 + 0,27 (ОС/Д)0,33; (5.29) , .

Р / Рв= (I + 1/3^2Г2. (5.30)

ГРГ-2 отличаются от ГРГ наличием дополнительной струи газового топлива (около 7С$ всего топлива), образующей над слоем материала в печи восстановительную среду /315,322/. Исследованы по ля температуры,полного напора и концентраций в факеле по длине камеры сгорания от сечения ЭС/Д = 0,5 до Х/Л = 5,5.

5°. Определены качество, ширина и толщина (около 0,25Д) зон восстановительных газов в факеле ГРГ-2 по среднему суммарному со держанию восстановительных компонентов (Нр + СО + СН^) и среднем содержанию кислорода (О2) на дуге с центральным углом 2У= 72°, соответствующим ширине слоя материала на печах С-ТЦЗ /315,322,32 Последние обобщены с точностью +!($ эмпирическими уравнениями/29

С2/СД = /I - (У/180)1'5] 3; (5.31)

Оо О? Л -3(У/130)

С / Ст =/1,05 - е ./#180 + 0,05; (5.32)

Ф С- = 1,07 - 0,14 ЛУД; (5.33)

С°т2 / С°| = 1,06 - 0,12 ЗУД, (5.34)

О

где и - осевые (факела) максимальные концентрации в

Изменение средних концентраций восстановителей, отнесенных

их максимальным значениям, описывается эмпирической формулой:

V С2т= 1 ~ ехр(-С2,38 ИХ) п 7°). (5.35;

Поля полного напора и температуры з факеле ГРГ-Е практически идентичны аналогичным профилям в факеле ГРГ.

6°. Опытнотпромышленные испытания ГРГ и ГРГ-2 на печах 0,6ч8 м НИИЦемента и 0,6x2 м АЗИ при С-ТЦЗ подтвердили надежность конструкций, широкие пределы регулирования параметров факела и восстановительной среды, быстрый розжиг и разогрев вращающегося барабана печи благодаря надежной стабилизации и регулирования длины факела на поперечных воздушных струях /175,292 и др./.

Обжиг материала в восстановительной среде значительно повышает белизну клинкера (на 5% и более по сравнению с данными анализа клинкера из промышленной печи С-ТЦЗ, работавшей с газспым отбеливателем на шламе того же состава.

7°. Испытание (продолжительностью 26 часов в 1978 году) одного элемента конструкции ГРГ-2 - устройства для создания восстановительной среды - на промышленной печи 3 х 62 м С-ТЦЗ (производительность 1,94 кг кл. в с) показало, что КДО клинкера повысился с 77,4% до 81,6%. Это означает повышение сортности цемента на один класс или 900 тыс.рублей экономии ежегодно /292/.

Повторные испытания (продолжительностью 24 часа) подтвердили полученный результат, что свидетельствует о возможности повышения белизны клинкера на 3-4$ даже при использовании лишь одного элемента конструкции ГРГ-2. Позднее НИНЦементом выполнен проект стационарной горелки с восстановительной средой, работающей на печи Н С-ТЦЗ по настоящее время.

выводы

1. На основе анализа и обобщения литературных данных и результатов обстоятельных, систематических и комплексных исследований, выполненных на лабораторных и факельных стендах КазНИИЭ и АЭИ, на укрупненном (Сибтехэнерго) и огневом (Урал ВТИ) моделях котла П-67 блока 800 МВт, в опытно-промышленных печах НИИЦемента и АЭИ при С-ТЦЗ и в натурных условиях с внедрением результатов в производство и в справочные материалы на заводе "Экономайзер", ЗиО, ТКЗ, ОКБ ВТИ, НГРЭС блока 500 МВт,а также в учебный процесс, показано, что закономерности развития и смешения трехмерных струй, представляющих собой одно из сложных направлений познания в теории турбулентных течений, обладают значительными научными и прикладными возможностями, перекрывающими известные из теории турбулентных затопленных струй диапазоны изменения параметров переноса импульса, теплоты и массы.

2. Установлены эмпирические и полуэмпирические закономерности полей скорости, температуры, статического давления, интенсивности, турбулентности, концентрации горючих компонент и окислителя, границ, траектории, дальнобойности, массового расхода, внешних сил в проекциях на оси координат, коэффициентов нарастания границ, аэродинамического сопротивления, структуры сил.

Траектория сносимой струи определена как линия центров масс и потока импульса в каждом ее поперечном сечении (в связи с известным разделением зон наибольших значений скорости и температуры). Такая траектория сносимо? струи, как это известно из механики, является той координатой, сумма проекций внешних сил на которую равняется нулю (принцип наименьшего действия).

3. Показана возможность описания прямсчгодакх трехмерных струй в сложных условиях их развития прямоточно и во взаимодействии друг с другом (слившиеся струи) и со сносящим потоком (сносимые струи), в камерах смешения и сгорания известными методами из теории турбулентных струй (эквивалентной задачи теории теплопроводности,струи--источника,анализа размерностей,локальной автомодельности, теории идеальной жидкости, теории смешения многокомпонентной жидкости,теории подобия, понятия струи как тела переменной массы, принципа наименьшего действия, формул Г.шлихтинга и Г.Райхардта и др.).

Установлены эффекты перестроения структуры трехмерных

\

струй прямоугольной начальной формы в осесимметричное течение;по-перечности потоков или их элементов, обусловливающих наибольшую интенсивность смешения; слияния соударяющихся потоков с образованием слившейся струи (и возвратной струи с увеличением угла атаки).

5. Установлены значения множителя пропорциональности в формуле Хаусорна-Роджерса-Зацека для глубины проникновения сносимых струй с учетом схемы ввода струй, формы канала и крутки сносящего потока.

6. Показано, что хорошее смешение сносимых струй, удовлетворяющее многие практические запросы, достигается при их подаче в центральную область канала с однородным сносящим потоком (в условиях относительного шага струй, не менее двух) или без него.

Качество смешения системы сносимых струй может быть улучшено, как это показано А.М.Давидьян и Ю.В.Ивановым, специальными мерами, например, путем наполнения и активизации процессов смешения в периферийных зонах, расположенных между сносимыми струями основного ряда, дополнительными струями меньших размеров. Однако, при этом удлиняется общая длина камер смешения за счет их трехрядности.

Лучшее качество смешения сносимых струй в закрученных потоках достигается путем их направления против главного вектора скорости закрученного сносящего потока.

7. Разработана методика расчета эффективных смесителей камер сгорания газовых и парогазовых турбин и аэродинамических вводов газов рециркуляции в верх топочной камеры мощных энергоблоков.

8. Установлены закономерности и показаны возможности эффективной струйной организации и регулирования процессов смесеобразования, стабилизации пламени и горения в широком диапазоне изменения геометрических, аэродинамических и тепловых параметров, достаточных, на наш взгляд, для модернизации действующих и разработки новых теплотехнических устройств и аппаратов струйного типа, отвечающих современным требованиям ресурсосбережения и охраны окружающей среды /327 и др./.

В настоящее время основные результаты изложенной работы используются диссертантом при разработке экономичных и экологичных горелочных устройств по сжиганию угольноР пыли зысокой концентрации э котельных агрегатах /327 и др./.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЩИХ РАБОТАХ

222. Методика расчета смесителей камер сгорания ГТД /Бородянский Г.Я.,Левин Г.М. .Палатник И.Б. .Темирбаев Д.1.,Хавкин Ю.И. //Энергомашиностроение. IS66. Jfc9. С.10-12.

174. К расчету рециркуляции газов в верх топочной камера котлов / Маршак ЮЛ..Окерблом Ю.И..Темирбаев Д.&..Белиловский Ю.Б., Адилбеков М.А. //Теплоэнергетика. 1977. £6. С.85-87.

32. Проектирование топок с твердым шлакоудалением (дополнение к нормативному методу теплового расчета котельных агрегатов) /Под ред. В.В.Митора и Ю.Л.Маршака.-I.:ВТИ-КП0 ЦКТЙ.1931 .-П7с.

270. Исследование воздушной рециркуляции на котле П-49 Наза-ровской ГРЭС / Шнайдер В.К..Белиловский Ю.Б.,Маршак В.Л..Темирба-ев Д.1. и др.-всего 13 соавторов //Рабочие процессы и усовершенствование теплотехнических устройств и электрических систем.-Ал-маты: КазПТИ, 1979, вып./, с.63-63.

58. Палатник И.Б..Темирбаев Д.1. 0 распространении свободных турбулентных струй, вытекающих из насадка прямоугольной формы // Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Прикладная теплофизика.-Алматы:Изд.АН КазССР, 1964,вып.1,с.18-28.

86. Абдрахманов A.A.,Нугуманов A.M..Темирбаев Д.1. Исследование переноса импульса и тепла турбулентной струи прямоугольной формы //Энергетика.-Алматы: КазПТИ, 1974.Зып.4.с.25-29.

89. К расчету аэродинамики и теплообмена системы параллельных струй /Адилбеков М.А..Белиловский Ю.Б..Нугуманов A.M..Темирбаев Д.1. //Технические науки.-Алматы: КазПТИ,1972,вып.13,с.06-91

141. Палатник И.Б..Темирбаев Д.1. Закономерности распространения осесимметричной воздушной струи в сносящем однородном потоке //Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Алматы: Наука, 1967, вып.4, с.196-216.

148. Адилбеков iM.А. .Темирбаев Д.S. .Тонконогий A.B. Исследование закономерностей распространения неизотермической осесимметричной струи в неограниченном воздушном потоке под различными углами встречи // Тезисы докл. на втором межотраслевом совещ. по теор. и прикл. аспектам турб. течений.-Таллинн: АН ЭССР, 1976. с.26-27.

149. Адилбеков М.А..Темирбаев Д.S. .Тонконогий A.B. Исследование закономерностей распространения осесимметричной струи в неограниченном воздушном потоке под различными углами встречи // Энергетика.-Алматы: КазПТИ, 1976. вып.7, с.109-117.

150. Адилбеков М.А..Темирбаев Д.I..Тонконогий A.B. Экспериментальное исследование закономерностей распространения слабоне-изотермической осесимметричной струи воздуха в сносящем потоке// Энергетика.-Алматы: КазПТИ, 1У74, вып.4, с.15-25.

151. Адилбеков М.А..Нугуманов A.M..Темирбаев Д.!. Экспериментальное определение структуры расхода осесимметричной струи, распространяющейся нормально к сносящему потоку //Технические науки. -Алматы: КазПТИ, 1975, вып.15, с.32-36.

175. О струйной интенсификации процессов смесеобразования, стабилизации и регулирования пламени /Темирбаев Д.I..Адилбеков М.А.,Даукеев Г.1..Нугуманов A.M.Дургембаез S.A. //Энергетика.-Алматы: КазПТИ, вып.6. 1976. с.3-9.

155. Темирбаев Д.1. К расчету аэродинамической силы давления потока на сносимую струю //Рабочие процессы и усовершенствование теплотехнических устройств и электрических систем.-Алматы: КазПТИ, 1979, с.69-76.

153. Адилбеков М.А..Темирбаев Д.Ж..Тонконогий A.B. Исследование распространения прямоугольной струи под углом к потоку // Рабочие процессы и усовершенствование теплотехнических устройств и электрических систем.-Алматы: КазПТИ,1977,вып.9,с.55-62.

142. Палатник И.Б..Темирбаев Д.1. К расчету траектории осесимметричной струи в сносящем потоке //Теория и практика сжигания газа.-!.: Недра, 1968, вып.4, с.40-51.

156. Темирбаев Д.I..Адилбеков М.А. К расчету струй в сносящем потоке //Изв. ВУЗов. Энергетика. 1SS0. №4. С.63-70.

153. Темирбаев Д.1.,Исмаилов Т.М. К расчету траектории сносимых струй //Изв. ВУЗоз. Энергетика. 1933. £8. С.78-82.

187. Нугуманов A.M..Темирбаев Д.Ж. Расчет распределения скорости в поле течения двух соударяющихся осесимметричных струй под малыми углами встречи //Технические науки. Алматы: КазПТИ, 1975, вып.16. С.50-52.

188. Нугуманов A.M..Темирбаев Д.Ж. Исследование закономерностей распространения слившейся струи, образованной соударением

двух слабонеизотермических круглых струй воздуха под различными углами //Технические науки.-Алматы-.КазПТЙ. 1975. вып.19.с.50-52.

189. Нугуманов A.M.Демирбаев Д.1. Экспериментальное исследование слившейся струи, образованной соударением двух одинаковых струй //Энергетика.-Алматы: КазПТИ, 1976, вып.6. с.9-15.

190. Нугуманов A.M.Демирбаев Д.Ж. Исследование интенсивности турбулентности в слившихся струях //Энергетика.-Алматы:КазПТИ 1976, вып.7. С.102-109.

191. Нугуманов A.M.Демирбаев Д.1. Экспериментальное исследование слившейся неизотермической струи // Теоретические и прикладные аспекты турбулентных течений /Тезисы докл. второго меж-отрасл. совещ. Таллинн: АН ХОР. 1976.

193. Темирбаев Д.I..Нугуманов A.M. Экспериментальное исследование слившихся струй в потоке //Изв.ЗУЗов СССР / Энергетика. 1973. »3. С.133-139.

157. Темирбаез Д.К. О процессах смешения сносимых и сдиепи-хся струй //Изв. ВУЗов. Энергетика. 1981. №11. с.116-118.

207. Палатник й.Б.Демирбаев Д.Ж. Исследование смесителей камеры сгорания газовых и парогазовых турбин //Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики. Прикладная теплофизика.-Алматы: Наука, 1У64, вып.1, с.73-82.

220. Палатник И.Б.Демирбаев Д.1. К выбору оптимальных характеристик смесителей камер сгорания газовых турбин //Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики.-Алматы:Наука,1966,№3, с.94-93.

221. Темирбаев Д.л. Приближенный расчет выравнивания температурного поля газовых потоков в смесителях ГТД // Тр.КазПТИ.-Алматы: КазПТИ, 1970, »31.

237. A.c. 1040 2 75 (.СССР). Вертикальная прямоугольная топка / Ю.Л.Маршак, Д.I.Темирбаез, Ю.Б.Белиловсхий.-Опубл.в Б.И.,1983, 133.

292. Даукеев Г.1. Демирбаев Д.Я. Газогорелочные устройства типа ГРГ для вращающихся цементных печей //Экспресс-информация. Серия 18 Б. II. Вып.8(872).-Алматы: КазНИИ НТИ, I931.-26с.

303. Сакипов 3.Б.Демирбаев Д.Е. Перенос импульса и тепла в свободной турбулентной струе //Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики.Прикладная теплофизика.-Алматы: Изд.АН Каз.

ССР, 1564, вып.1, с-47-72.

309. Темирбаев Д.1. Расчет осесимметричной турбулентной струи-источника несжимаемой жидкости //Труды КазПТИ, №31.-Адматы: КазПТИ,1970.

313. Темирбаев Д.I. Даукеев Г.1. Исследование аэродинамики регулируемой газовой горелки //Изв.ВУЗсв. Энергетика Л 981. £9. C.II0-II3.

314. A.c. 694 754 (СССР). Вращающаяся печь /Д.I.Темирбаев, Г.1.Даукеев, М.Е.Ергалин, К.К.Бекишев.-Опубл. в Б.И..1979,№40.

315. A.c. 737 745 (СССР). Вращающаяся печь /Г.Ж.Даукеев,Д.Е. Темирбаев, М.Е.Ергарин.К.К.Бекишез, Б.А.Аширов.Т.Р.Рахманкулов, И.А.Мартынович, Б.А.Курников и С.М.Сиразитдинов.-Опубл. в Б.И., 1990, №20.

320. Исследование газовой регулируемой горелки (ГРГ) на опытной печи 0,6x8 м НИИЦемента /Даукеев Г.Ж..Темирбаев Д.Ж.,Быховс-кий МЛ., ¡Зелудько З.В. //Энергетика.-Алматы: КазПТй,1976,вып.6,

322. Даукеев Г.I..Темирбаев Д.1. Исследование факела газовой регулируемой горелки ГРГ-2 //Рабочие процессы и усовершенствование теплотехнических устройств и электрических систем.-Алма-ты: КазПТИ, 1977, вып.9, с.96-100.

323. Даукеев Г.I..Темирбаев Д.й. Опытные и опытно-промышленные испытания печей обжига цементного клинкера с созданием восстановительной среды над обжигаемым материалом //Рабочие процессы и усовершенствование теплотехнических устройств и электрических систем.-Алматы: КазПТИ, 1979, с.76-81.

324. Темирбаев Д.Ж. Эффективность струйной организации процессов смешения и сжигания топлива //Теплообмен в парогенераторах /Тезисы докладов Всесоюзной конференции.-Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, с.115.1988.

325. Темирбаев Д.Й. Процессы смешения и горения в теплотехнике //Энергетика и топливные ресурсы Казахстана. 1995.^1.с.21-22.

327. Темирбаев Д.Ж.Дукенбаев К.Д..Богаткин В.И. К подавлению образования окиси азота пиролизом топлива в топочной камере// // Там же. с,23-25.

с.23-29.

Д.Ж. Темрбаев

УШеЛШЕМЕЛ! АРЫНШАЛАРДЫЦ ДАМУ ЗАНДАРЫ

ТУЙШ1

Тыгыздыгы мен пяшш ертурл жекел! жене жуйел) ретси агыншалардыц тура не б!р б1рше, шскт! не шексв ашнга багытгы таралу зандары аныцталган. Газ жэне булыгаз шыгырмалардьщ жану цушлаР араластыргыштары, цайратшк, ошак,тардыц жогаргы жагана газды кайта келт1рш араластыру к,ондыргылары жене айналмалы сур жене ак, цемент пештершщ реттелуцц газ ошакдары жацадан жасальт, физикалых,, теж1рибелк вщцрю жене еид^ркяж жагдайларда зерттелш, есептк едастемелер! кдоастырылып, ендаркке, оку куралы мен окулых,тарга ецпзшген жене еншд1 ер мекентануды ошак,тарды Ьдес-лруде крлданып жур.

D.Zh. Temirbaev

THE CONFORMITY OF THE DEVELOPMENT THREE-DIMENSIONAL JETS

SUMMARY

Determine conformity of spreading individuals and system turbulent jsts of difference density and form straight flow, under the difference angles face to face, or/and infinite, or limited stream. Elaborated the mixers of the chambers of combustion gas and steamgas turbines and gas recirculation in top energy furnace and gas regulate burner of revolve grey and white cement furnace. They are investigated in laboratory, experience - industrial and nature conditions, inculcated in production, teaching aids and textboks and used in elaboration of economical and oecological burners.