Влияние акустического воздействия на развитие неустойчивостей при струйном диффузионном горении метана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Кривокорытов, Михаил Сергеевич

• Кривокорытов, Михаил Сергеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Кривокорытов, Михаил Сергеевич

Оглавление

Введение

Глава 1 .Обзор

§1.1. Классические представления о диффузионных пламенах

1.1.1. Типы диффузионных пламен

1.1.2. Приближение поверхности горения. Температура пламени

1.1.3. Форма диффузионного пламени. Задача Бурке-Шумана

§ 1.2. Нестационарные режимы горения

1.2.1. Термоакустическая неустойчивость

1.2.2. Конвективная неустойчивость. Мерцание пламени

1.2.3. Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца

1.2.4. Другие виды неустойчивостей

1.2.5. Безразмерные параметры нестационарных течений

§ 1.3. Диффузионные пламена при акустическом воздействии

1.3.1. Влияние внешнего акустического поля на скорость химической реакции и устойчивость фронта пламени перемешанной смеси

1.3.2. Конвективная неустойчивость в диффузионных пламенах при акустическом воздействии

1.3.3. Гидродинамическая неустойчивость потока реагентов в диффузионных пламенах при акустическом воздействии

1.3.4. Влияние акустического воздействия на состав продуктов горения при диффузионном горении

1.3.5. Механизмы образования оксидов азота

Основные выводы по Главе 1

Глава 2. Экспериментальные установки и методы исследования

§2.1. Схема экспериментальной горелки

§ 2.2. Внешнее акустическое воздействие

§ 2.3. Метод теневой визуализации на базе ИАБ-451

§ 2.4. Измерение частоты мерцаний пламени. Фотографии пламени

§ 2.5. Измерение полей скоростей методом PIV

§ 2.6. Исследование состава продуктов горения

Основные выводы по Главе 2

Глава 3. Исследование диффузионных пламен при акустическом воздействии

§3.1. Высота диффузионного метанового факела

§ 3.2. Конвективная неустойчивость, мерцания пламени

§3.3. Развитие гидродинамической неустойчивости в струйном метановом диффузионном факеле при акустическом воздействии. Бифуркация

пламени

§ 3.4. Влияние акустического воздействия на пределы отрыва/присоединения диффузионного факела

Основные выводы по Главе 3

Глава 4. Исследование развития неустойчивостей в газовых струях при акустическом воздействии

§4.1. Ламинарно-турбулентный переход в газовых струях миллиметрового

масштаба

§ 4.2. Бифуркация газовых струй при акустическом воздействии

§ 4.3. Влияние частоты звука и уровня звукового давления

§4.4. Влияние газа струи и ее диаметра

Основные выводы по Главе 4

Глава 5. Исследование газовых струй при акустическом воздействии методом

Stereo PIV

§5.1. Профили скорости в затопленной газовой струе

§ 5.2. Поле скоростей струи при акустическом воздействии в ее продольном

сечении

§5.3. Поле скоростей струи при акустическом воздействии в ее поперечном

сечении

§5.4. Профили скорости в затопленной газовой струе при акустическом

воздействии

§5.5. Скорость роста возмущений в струях при акустическом

воздействии

Основные выводы по Главе 5

Глава 6. Исследование состава продуктов горения диффузионного метанового факела при акустическом воздействии

§6.1. Определение массовой концентрации сажи методом экстинкции

§ 6.2. Результаты измерения концентраций оксидов азота и сажи в продуктах горения

Основные выводы по Главе 6

Список литературы

Моим родителям

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние акустического воздействия на развитие неустойчивостей при струйном диффузионном горении метана»

Введение

Актуальность работы. На сегодняшний день активно развиваются методы получения энергии от возобновляемых источников. Увеличивается доля глобального производства энергии для человеческих потребностей от источников альтернативной энергии. Солнечная энергия, сила ветра и движение воды - традиционные источники альтернативной энергии, они наиболее известны и успешно применяемы. Однако, по данным Международного энергетического агентства (1ЕА), Управления энергетической информации США (Е1А) и Европейского агентства по окружающей среде (ЕЕА), на 2008 год доля энергии, получаемой от ископаемого топлива, составляет более 80%. Более того, размер субсидий, выделяемых на развитие этого доминирующего энергоресурса, растет и в разы превосходит субсидии, выделяемые на развитие возобновляемых источников энергии. Потребление ископаемых энергоресурсов сильно выросло в 2000 — 2008 годах, а потребление каменного угля, например, растет быстрее всех возобновляемых источников энергии.

По данным 1ЕА, начиная с 1970, года мировое потребление энергии неуклонно растет и к 2010 году увеличилось почти втрое. На 2012 год в мировом потреблении энергии доля энергии, получаемой за счет нефти, составляет 32%, угля — 30% и природного газа 23%, остальные 15% приходятся на атомную энергию (5%), гидроэнергию (7%) и прочие, в том числе энергия ветра и солнца (3%). Предположительно доля ископаемых энергоносителей будет постепенно снижаться. Однако предполагается существенный рост доли природного газа, который, согласно прогнозам 1ЕА, может выйти на первое место среди энергоносителей при условии, что он все-таки станет полноправным автомобильным топливом. Основными факторами, способствующими дальнейшему росту потребления природного газа, являются: рост числа электростанций, работающих на газе; увеличение использования газа в жилом

секторе; явное снижение в последнее десятилетие привлекательности ядерной энергетики; дальнейшее повсеместное обострение экологических проблем.

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 году некоторыми странами был подписан Киотский протокол по ограничению парникового эффекта. По состоянию на 26 марта 2009 года 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

7

предварительно перемешанных смесей опасно, 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.

Повысить эффективность диффузионного горения можно за счет интенсификации смешения горючего с окислителем. Добиться этого можно за счет турбулизации потоков горючего и окислителя. Настоящая работа посвящена 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.

Цель 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 является:

1. Исследование диффузионных пламен (факелов) метана:

• 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:

• 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:

• 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 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.

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.

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 полученных результатов. 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 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

11

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

12

данные о скорости роста возмущений в газовых струях при акустическом воздействии.

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

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 наноструктурированных 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) (Elbrus 2012, 2014).

Личный вклад автора.

Работа полностью выполнена автором, в том числе создание экспериментальных установок, отладка методик диагностики, обработка и анализ полученных результатов, выступление на конференциях с результатами работы по теме диссертации, в том числе и на международных конференциях. Автор благодарит ведущего инженера Лаборатории №1.1.2.1 ОИВТ РАН Тарасенко И.Н. за помощь в создании элементов экспериментальных стендов; и.о. зав.отдела №2.2.3 ОИВТ РАН Моралева И.А. за предоставленную возможность использования LaVision Stereo PIV диагностического комплекса и помощь в работе с ним; а также своего научного руководителя Голуба В.В. за поддержку и совместное обсуждение результатов работы.

Публикации.

Основные результаты работы опубликованы в 20 работах, 4 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 16 - в тезисах докладов.

Статьи в журналах:

1. Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Володин В.В., «Влияние акустических колебаний на диффузионное горение метана», Письма в ЖТФ, том 38, вып. 10, с. 57-63,2012.

2. Кривокорытов М.С., Голуб В.В., «Акустическое управление горением газовых топлив», приложение к журналу Физическое образование в вузах, Том 18, номер 1, с.42, 2012.

3. Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Моралев И.А., «Развитие неустойчивостей в газовых микроструях при акустическом воздействии», Письма в ЖТФ, том 39, вып. 18, с. 38 - 44, 2013.

4. М. С. Кривокорытов, В. В. Голуб, И. А. Моралев, В. В. Володин, "Экспериментальное исследование развития струи гелия при акустическом воздействии", Теплофизика высоких температур, том 52, номер 3, с. 450 - 456, 2014.

Тезисы докладов:

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

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

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

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

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), с. 503 - 505, МАИ-ПРИНТ, Москва, 2011.

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 (ВМСППС2013), с. 701 - 703, МАИ-ПРИНТ, Москва, 2013.

11 .Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Моралев И. А., "Образование продольных вихревых структур в дозвуковых струях при акустическом

воздействии"// Материалы X Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2014), с. 195 — 197, МАИ-ПРИНТ, Москва, 2014.

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

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, с. 288, Москва, 2013.

14.Голуб В.В., Кривокорытов М.С., «Акустическое управление эффективностью и токсичностью сгорания газовых топлив»// IV Всероссийский симпозиум «Механика композитных материалов и конструкций» тезисы докладов, с. 92, Москва, 2012.

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, pp. 95 - 96, Moscow & Chernogolovka & Nalchik, 2013.

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, pp. 120-121, Moscow, 2013.

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

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

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, p. 96, Moscow & Chernogolovka & Nalchik, 2014.

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

Объем и структура работы.

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.

Глава 1. Обзор

§1.1. Классические представления о диффузионных пламенах

В любых пламенах процессы диффузионного переноса играют важную роль, поэтому термин диффузионные пламена не определяет явление однозначно. В зарубежной литературе пламена подразделяются на пламена предварительно перемешанной и предварительно не перемешанной смеси. Очень часто в технических устройствах, в природных условиях и быту встречается тип горения, когда горючее и окислитель пространственно разделены и заранее не перемешаны. В таких условиях химическая реакция горения между горючим и окислителем происходит только после смешения реагентов в результате молекулярной или турбулентной (конвективной) диффузии. Поэтому в отечественной литературе за такими типами пламен закрепился термин диффузионные пламена.

Главное отличие диффузионного горения от горения заранее перемешанной смеси состоит в том, что скорость химического превращения при диффузионном горении ограничена условиями смешения. Понятие нормальной скорости распространения пламени, которое естественным образом возникает в теории горения заранее перемешанных смесей и отражает их внутренние свойства, при диффузионном горении не имеет смысла: здесь главную роль играют внешние факторы, такие, как газодинамика течений (ламинарные или турбулентные), геометрии горелки и т.п.

1.1.1. Типы диффузионных пламен

Типичное диффузионное пламя образуется при воспламенении струи горючего газа, вытекающего из длинной трубки малого диаметра в окружающий воздух. Такие пламена подробно описаны в классической литературе о горении [1 - 3]. На Рис. 1.1.1 и Рис. 1.1.2 представлены прямые и теневые фотографии пламени городского газа в атмосферном воздухе. На прямых фотографиях (Рис. 1.1.1а и Рис. 1.1.2а) видна только внешняя граница пламени. Теневые фотографии (Рис. 1.1.16 и Рис. 1.1.26) позволяют увидеть внутреннюю часть потока, где

существуют большие градиенты температур и концентраций между холодным горючим газом вблизи оси и окружающей смесью топлива, продуктов сгорания и воздуха. Плавные очертания внутренней части факела (Рис. 1.1.16) указывают на то, что поток газа вблизи оси остается ламинарным до большой высоты. Область несгоревшего газа сужается и исчезает по мере того, как передняя граница диффузии приближается к оси. На внешней границе продуктов горения видно образование вихрей, практически от среза горелки, а выше возникает турбулентность.

На Рис. 1.1.2 представлены фотографии пламени, где скорость горючего газа вчетверо больше, чем в случае на Рис. 1.1.1. Внутренняя область потока, состоящая из несгоревшего газа, быстро становится расплывчатой, и ее нельзя рассмотреть уже на значительно меньшей высоте, чем в случае на Рис. 1.1.16. На фотографии (Рис. 1.1.2в), сделанной с меньшим временем экспозиции и большим увеличением (порядка десяти микросекунд) видна вихревая структура потока горючего газа и его перемешивание с продуктами горения. В зависимости от условий в зоне горения различают два типа пламен: ламинарные, как на Рис. 1.1.1 и турбулентные, как на Рис. 1.1.2. Стоит отметить, что число Рейнольдса потока горючего газа в горелке не определяет типа пламени, тип пламени определяется условиями течения в области горения [1].

Значения чисел Рейнольдса для струи горючего газа, при которых происходит переход от ламинарного к турбулентному пламени, были даны Хоттелом и Хауторном [5], однако соотношения между числом Рейнольдса и характером пламени не строги. Переход от ламинарного пламени к турбулентному по мере увеличения скорости струи горючего газа схематически представлен на Рис. 1.1.3.

а

б

Рисунок 1.1.1. Диффузионный факел городского газа. Внутренний диаметр горелки 10,2 мм, число Рейнольдса для потока в трубке 1980. Время экспозиции 10 мс: а) прямая фотография; б) теневая фотография [4].

а б в

Рисунок 1.1.2. Диффузионный факел городского газа. Внутренний

диаметр горелки 10,2 мм, число Рейнольдса для потока в трубке 8100. Время

экспозиции 10 мс: а) прямая фотография; б) теневая фотография, в) теневая

фотография основания факела, снятая с меньшей экспозицией [4].

20

Рисунок 1.1.3. Переход диффузионного пламени от ламинарного к турбулентному при возрастании скорости горючего газа [2].

При малых скоростях струи пламя является ламинарным, его граница устойчива, пламя гладкое и процесс горения протекает спокойно (отсутствуют мерцания и шум). По мере увеличения скорости струи высота пламени возрастает, вплоть до некоторой предельной скорости струи. При дальнейшем увеличении скорости струи граница пламени становится неустойчивой, причем неустойчивость возникает сначала у вершины пламени, а затем распространяется вниз к срезу горелки (пунктирная линия на Рис. 1.1.3). Одновременно с этим высота пламени уменьшается. Если продолжать увеличивать скорость струи высота пламени перестает зависеть от скорости струи и становится практически постоянной. Граница пламени быстро пульсирует, горение сопровождается сильным шумом (то же самое наблюдается в случае бунзеновских пламен в турбулентном потоке заранее перемешанного газа). Область, в которой высота пламени не зависит от скорости струи, соответствует турбулентному течению струи. Такие пламена называются турбулентными диффузионными пламенами. Область, в которой высота пламени растет с увеличением скорости струи горючего газа, относится к ламинарным диффузионным пламенам. Между этими двумя типами пламени существует переходная область. Переход от ламинарного диффузионного пламени к турбулентному определяется изменением характера течения струи.

Очевидно, что горение влияет на характер течения струи, поэтому ламинарно-турбулентный переход в пламенах не совпадает с ламинарно-турбулентным переходом в струях без горения.

Если при турбулентном диффузионном горении увеличивать скорость струи горючего газа, то пламя отрывается от среза горелки и устанавливается на некотором расстоянии над горелкой (Рис. 1.1.4). Такие пламена называются приподнятыми («lifted flames»).

экспозиция 10 мс; б) теневая фотография с увеличением, экспозиция -10 мкс

При увеличении скорости струи в этом случае можно наблюдать постепенное удаление основания пламени от сопла горелки вплоть до срыва пламени. При этом пламя становится все более коротким и шумным. Согласно [6] срыв пламени происходит, когда поперечное сечение газового потока на уровне основания пламени становится полностью турбулентным. Если в приподнятом диффузионном пламени снижать скорость струи горючего газа, то можно наблюдать обратное присоединение пламени к соплу горелки. При этом скорость, при которой пламя «садится» на горелку, меньше чем скорость, при

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кривокорытов, Михаил Сергеевич, 2014 год

Список литературы

1. 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.

2. Кумагаи С. Горение.-М: Химия, 1979.-255 с.

3. Математическая теория горения и взрыва/Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. - Издательство «Наука», Москва, 1980, 480 с.

4. К. Wohl, С. Gazley, and N. Карр «Diffusion flames»// Proceedings of the Third International Symposium on Combustion, Flame and Explosion Phenomena (Williams and Wilkins, Baltimore, Maryland, 1949), pp. 288 - 300.

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

6. Scholefield D.A., Garside J.E., "The structure and stability of diffusion flames'V/Proceedings of the Third International Symposium on Combustion, Flame and Explosion Phenomena (Williams and Wilkins, Baltimore, Maryland, 1949), pp. 102-110.

7. Burke S.P., Schumann T.E.W., Diffusion Flames, Industrial and Engineering Chemistry, V. 20, pp. 998 - 1004, 1928.

8. Зельдович Я.Б. К теории горения неперемешанных газов. — ЖТФ, 1949, Т. 19, с. 1199-1210.

9. Тихонов А.Н., Самарский А.А., Уравнения математической физики. М.: Наука, 735 е., 1972.

10. Hawthorne W.D., Weddell D.S., Hottel Н.С., "Mixing and Combustion in Turbulent Gas Jets'Y/Proceedings of the Third International Symposium on Combustion, Flame and Explosion Phenomena (Williams and Wilkins, Baltimore, Maryland, 1949), ), pp. 266 - 288.

11.K. Wohl, С. Gazley, and N. Kapp "The stability of open flames"// Proceedings of the Third International Symposium on Combustion, Flame and Explosion Phenomena (Williams and Wilkins, Baltimore, Maryland, 1949), pp. 3 - 21.

12. Натанзон M.C. Неустойчивость горения. - M.: Машиностроение, 1986. — 248 с.

13. Moshe Matalon, Intrinsic flame instabilities in premixed and non-premixed combustion, Annual Review of Fluid Mechanics, V.39, pp. 163-191,2007.

14. J. Tyndall «On Acoustic Reversibility»// Proceedings of the Royal Society of London, Vol. 23, pp. 159-165, (1874 - 1875).

15. Le Conte "On the Influence of Musical Sound on the Flame of a Jet of Coalgas"// Phil. Mag., V. XV, 1858, c. 235.

16. Rijke, P. Ann., Phys., Lpz 107, 339, 1959.

17. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение. M.: ГИФМЛ, 1961.

18. J.W.S. Rayleigh, The theory of sound, V.2, New York: Dover, 1945.

19. Chen L. D., Seaba J. P., Roquemore W. M. and Goss L. P., Buoyant diffusion flames, Twenty-Second Symposium (International) on Combustion/The Combustion Institute, 677-684(1988).

20. Eickhoff H. and Winandy A., Visualization of vortex formation in jet diffusion flames, Combustion and Flame, 60, 99-101(1985).

21. Durox, D., Yuan, T. and Villermaux, E., The effect of buoyancy on flickering in diffusion flames, Combustion Science and Technology, 124, 277-294(1997).

22. Lingens A., Reeker, M. and Schreiber, M., Instability of buoyant diffusion flames, Experiments in Fluids, 20(4), 241-248(1996).

23. Lingens, A., Neemann, K., Meyer, J. and Schreiber, S., Instability of diffusion flames, Twenty-Sixth Symposiums (International) on Combustion/The Combustion Institute, 1053-1061(1996).

24. Katta, V. R. and Roquemore, W. M., Role of inner and outer structures in transitional jet diffusion flame, Combustion and Flame, 92(3), Pages 274-278(1993).

25. Sato, H., Amagai, К. and Arai, M., Flickering frequencies of diffusion flames observed under various gravity fields, Proceedings of the Combustion Institute, 28,1981-1987(2000).

26. Sato, H., Amagai, K. and Arai, M., Diffusion flames and their flickering motions related with Froude numbers under various gravity levels, Combustion and Flame, 123(1-2), 107-118(2000).

27. Arai M., Gravity effects on stability and flickering motion of diffusion flames, Combustion and Flame, 118, 293-300(1999).

28. Прандтль JI., Титьенс О., Гидро- и аэроиеханика, ч. 1, Гостехтеоретиздат, 1932.

29. Van Dyke, М., An album of fluid motion, The Parabolic Press, Stanford, California, IV edition, 1988.

30. Г.Н. Абрамович, Теория турбулентных струй. - М.:ЭКОЛИТ, 2011. -720с.

31. Trupel Т. Uber die Einwirkung eines Luftstrahles auf die umgebende Luft. Zeitung fur das gesamte Turbinenwesens, 1915, Nr.5, 6.

32. Слёзкин H.A. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1955г. - 521 стр.

33. Гиневский А.С., Власов Е.В., Каравосов Р.К., Акустическое управление турбулентными струями. М.: ФМЛ, 2001.

34. В. В. Козлов, Г. Р. Грек, Ю. А. Литвиненко, Г. В. Козлов, М. В. Литвиненко. Дозвуковые круглая и плоская макро- и микроструи в поперечном акустическом поле//Вестник НГУ. Серия: Физика. 2010. Том 5, выпуск 2, с. 28 - 42.

35. В.М. Анискин, Д.А. Бунтин, А.А. Маслов, С.Г. Миронов, И.С. Цырюльников, Исследование устойчивости дозвуковой газовой микроструи// Журанл технической физики, 2012, том 82, вып.2, сс. 17-23.

36. Tabeling P. Introduction to microfluids. Oxford: Oxford University Press, 2005. 301p.

37. Шестаков М.В., Исследование течения круглой микроструи в узком канале, Сборник научных статей «Современная наука» №2(10), 355-360, 2012.

38. В.В. Леманов, В.И. Терехов, К.А. Шаров, А.А. Шумейко, Экспериментальное исследование затопленных струй при низких числах Рейнольдса// Письма в ЖТФ, 2013, том 39, вып. 9, сс. 34 - 40.

39. В.В. Леманов, В.И. Терехов, К.А. Шаров, А.А. Шумейко, Экспериментальное исследование микроструй// Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (5), с. 2305-2307.

40. Yuan, J. and Ju, Y., Pulsating and hydrodynamic instabilities at large Lewis numbers, Combustion and Flame, 144, 386-397(2006).

41. Kadowaki, S., Numerical analysis on instability of cylindrical flames, Combust. Sci. and Tech., 107, 181-193(1995).

42. M. Frankel and G. Sivashinsky, The Effect of Viscosity on Hydrodynamic Stability of Plane Flame Front. Combustion Science and Technology, 29, (1982), 207-224

43. M. Matalon, B.J. Matkowsky, Flames as gasdynamic discontinuities, J. Fluid Mech. 124 (1982) 239-259.

44. Pelce P., Clavin P. Influence of hydrodinamics and diffusion upon the stability limits of laminar premixed flames, J. Fluid Mech. 124 (1982) 219-237.

45. Barenblatt, G. I., Istratov, A. G., and Zeldovich, Ya. B. (1962), On the diffusion-thermal stability of a laminar flame. J. Applied Mechanics and Technical Physics, No. 4, pp. 21-26.

46. Sivashinsky GI (1977) Nonlinear analysis of hydrodynamic instability in laminar flames -1 Derivation of basic equations. Acta Astronaut. 4:1177-1206.

47. Joulin, G., and Clavin, P.(1979). Linearstability analysis of non-adiabatic flames. Comb, and Flame 35, 139.

48. Oppenheim, A. K., Shock wave and flame interactions, Discussion of paper by G. Rudinger, Combustion and Propulsion, Third AGARD Colloquium,

Palermo, Sicily, March 17-21, 1958, Pergamon Press, New York, pp. 180-182(1958).

49. Strawa, A. W. & Cantwell, B. J. 1985 Visualization of the structure of a pulsed methane/air diffusion flame. Phys. Fluids 28 (8), 2317-2320.

50. Crow, S. C. & Champagne, F. H. 1971 Orderly structure in jet turbulence. J. Fluid Mech. 48 (3), 547-591.

51. Gutmark, E., Parr, T. P., Hanson-Parr, D. M. & Schadow, K. C. 1989, On the role of large and small scale structures in combustion control.Combust Sci Technol 66,107-126.

52. Gutmark, E., Parr, T. P., Hanson-Parr, D. M. & Schadow, K. C. 1990, Use of chemiluminescence and neural networks in active combustion control. Proc. Combust Inst. 23, 1101-1106

53. Gutmark, E., Parr, T. P., Hanson-Parr, D. M. & Schadow, K. C. 1992, Structure of a controlled ducted flame. Combust Sci Technol 87, 217-239.

54. Hermanson, J. C., Dugnani, R. & Johari, H. 2000 Structure and flame length of fully-modulated, pulsed diffusion flames. Combust Sci Technol 155, 203-225.

55. Hardalupas Y., Selbach A. Imposed oscillations and nonpremixed flames. Progr Energy Combust Sci 28 (1), 75-104, 2002.

56. Cater J. E., Soria J. The evolution of round zero-net-mass-flux jets. J. Fluid Mech. 472,167-200,2002.

57. Elaine S.O., Gardener J.H. Chemical-Acoustic interaction in combustion systems. Progress in Energy and Combustion Science 11. (1985)

58. Clarke J.F., McChesney M. The Dynamics of Real Gases. Butterworths. (1964)

59. Toong T.Y. Chemical effects on sound propagation. Combustion and Flame V.18, (1972).

60. Melvin A, Moss J.B., Clarke J.F. Combustion Science and Technology V.4, (1971).

61. Srinivasan J., Vincenti W.G. Criteria for acoustic instability in a gas with ambient vibrational and radiative non equilibrium. Physics of Fluids 18, (1976).

62. Bauer H., Bass H.E. Sound amplification from controlled excitation reactions. Physics of Fluids 16, (1973).

63. Shafiq R. Qureshi, Waqar A. Khan, Robert Prosser. Behaviour of a Premixed Flame Subjected to Acoustic Oscillations, PLoS ONE, V.8, № 12, pp. 1-11, 2013.

64. Searby G., Rochwerger D., Parametric acoustic instability in premixed flames// Journal of Fluid Mechanics, V. 231, pp. 529 - 543, 1991.

65. Markstein G.H, Instability phenomena in combustion waves. Fourth Symp. On Combustion, pp. 44 - 59. Baltimore: Williams and Wilkins.

66. Smyth, K. C., Harrington, J. E., Johnsson, E. L. & Pitts, W. M. 1993 Greatly enhanced soot scattering in flickering methane/air diffusion flames. Combust Flame 95 (1-2), 229-239.

67. Shaddix, C. R., Harrington, J. E. & Smyth, K. C. 1994 Quantitative measurements of enhanced soot production in a flickering methane/air diffusion flame. Combust Flame 99 (3-4), 723-732.

68. Kaplan, C. R., Shaddix, C. R. & Smyth, K. C. 1996 Computations of enhanced soot production in time-varying methane/air diffusion flames. Combust Flame 106,392-405.

69. Lewis, G. S., Cantwell, B. J., Vandsberger, U. & Bowman, C. T. 1988 An investigation of the structure of a laminar nonpremixed flame in an unsteady vortical flow. Proc. Combust Inst. 22, 515-522.

70. Papadapoulos, G., Bryant, R. A. & Pitts, W. M. 2002 Flow characterization of flickering methane/air diffusion flames using particle image velocimetry. Experiments in Fluids 33, 472-481.

71. Muramatsu, A., Era, Y. (2003). Mixing of Carbon Dioxide Gas and Air by a Pulsating Jet with a Reverse Flow. Proceedings of the 4th ASME-JSME Joint Fluids Engineering Conference. Honolulu.

72. Lakshminarasimhan, K., Ryan, M. D., Clemens, N. T., Ezekoye, O. A. (2007). Mixing Characteristics in Strongly Pulsed Methane Jet Flames. Proceedings of

the Combustion Institute, 31, 1617-1624.

154

73. Strayer, B. A., Dunn-Rankin, D. & Jabbari, F. 1998 Comparison between frequency and amplitude modulated adaptive modulated adaptive control of a non-premixed flame. Proc. Combust Inst. 27 (1), 1247-1254.

74. Gutmark, E., Parr, T. P., Parr, D. M. & Schadow, K. C. 1988 Evolution of vortical structures in flames. Proc. Combust Inst. 22, 523-529.

75. Gutmark, E., Parr, T. P., Hanson-Parr, D. M. & Schadow, K. C.1989, Azimuthal structure of an annular diffusion flame. Combust Flame 75, 229240.

76. Lovett, J. A. & Turns, S. R. 1990 Experiments on axisymmetrically pulsed turbulent jet flames. AIAA J. 28, 38-46.

77. Lovett, J. A. & Turns, S. R. 1993 The structure of pulsed turbulent nonpremixed jet flames. Combust Sci Technol 94, 193—216.

78. Zinn, B. T. 1992 Pulse combustion: recent applications and research issues. Proc. Combust Inst. 24,1297-1305.

79. Parikh, P. G. & Moffat, R. J. 1982 Resonant entrainment of a confined pulsed jets. Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME 104 (4), 482488.

80. Demare, D. & Baillot, F. 2004 Acoustic enhancement of combustion in lifted nonpremixed jet flames. Combust Flame 139 (4), 312-328.

81. Oh, S. K. & Shin, H. D. 1998 A visualization study on the effect of forcing amplitude on tone-excited isothermal jets and jet diffusion flames. Int. J. Energy Res 22, 343-354.

82. Suzuki, M., Atarashi, T. and Masuda, W., Behavior and structure of internal fuel-Jet in diffusion flame under transverse acoustic excitation, Combust. Sci. and Tech., 179, 2581-2597(2007).

83. C. O. Paschereit, E. Gutmark, and W. Weisenstein. "Coherent Structures in Swirling Flows and their Role in Acoustic Combustion Control." Physics of Fluids 11(9), 2667-2678, 1999.

84. J. О. Keller, Т. Т. Bramlette, Р. К. Barr, and J. R. Alvarez. "NOx and CO Emissions from a Pulse Combustor Operating in a Lean Premixed Mode." Combustion and Flame, 99,460-466,1994.

85. С. O. Paschereit and E. J. Gutmark. "Enhanced Stability and Reduced Emissions in an Elliptic Swirl-Stabilized Burner." AIAA Journal 46(5), 10631071,2008.

86. A. R. Masri, P. A. M. Kalt, and R. S. Barlow. "The Compositional Structure of Swirl-Stabilized Turbulent Nonpremixed Flames." Combustion and Flame, 137, 1-37, 2004.

87. T. S. Cheng, Y. -C. Chao, D. -C. Wu, T. Yuan, С. -C. Lu, С. -K. Cheng, and J. -M. Chang. "Effects of Fuel-Air Mixing on Flame Structures and NOx Emissions in Swirling Methane Jet Flames." 27th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, 1229-1237,1998.

88. G. J. R. Newbold, G. J. Nathan, D. S. Nobes, and S. R. Turns. "Measurement and Prediction of NOx Emissions from Unconfined Propane Flames from Turbulent-Jet, Bluff-Body, Swirl, and Processing Jet Burners." Proceedings of the Combustion Institute, 28, 481-487, 2000.

89. Y.C. Chao, Y.W. Huang, and D.C. Wu. "Feasibility of Controlling NOx Emissions from a Jet Flame by Acoustic Excitation." Combustion Science and Technology, 158, 461-484, 2000.

90. Бразовский B.B., Дисперсный состав конденсированной фазы в продуктах сгорания в ДВС, ЭФТЖ, Т.1, сс. 63 - 75, 2006.

91. Saito, М., Sato, М., and Nishimura, A. Soot Suppression by Acoustic Oscillated Combustion// Fuel, 1998, V. 77, № 9/10, pp. 973 - 978.

92. Ezekoye, O. A., Martin, К. M. & Bisetti, F. 2005 Pulsed flow modulation of soot production in a laminar jet diffusion flame. Proc. Combust Inst. 30 (1), 1485-1492.

93. Yang, P. & Seitzman, J. M. 2003 Soot concentration and velocity measurement in an acoustic burner. In AIAA paper 2003-1014 at the 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, NV.

94. Yoshida H., Koda M., Ooishi Y., Kobayashi K.P., Saito M, Super-mixing combustion enhanced by resonance between micro-shear layer and acoustic excitation, Int. J. Heat and Fluid Flow, V. 22, pp. 372 - 379,2001.

95. S. R. Turns. "An Introduction to Combustion: Concepts and Applications." McGraw-Hill, 2000.

96.1. Glassman and R. A. Yetter. "Combustion." Academic Press, 2008.

97. S. R. Turns. "Understanding NOx Formation in Nonpremixed Flames: Experiments and Modeling." Progress in Energy and Combustion Science, 21, 361-385, 1995.

98. С. T. Bowman. "Control of Combustion-Generated Nitrogen Oxide Emissions: Technology Driven by Regulation." 24th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, 859-878, 1992.

99. J. E. Broadwell and A. E. Lutz. "A Turbulent Jet Chemical Reaction Model: NOx Production in Jet Flames." Combustion and Flame, 114, 319-335, 1998.

100. J. O. Keller and I. Hongo. "Pulse Combustion: The Mechanisms of NOx Production." Combustion and Flame, 80, 219-237, 1990.

101. M. Kim, Y. Choi, J. Oh, and Y. Yoon. "Flame-Vortex Interaction and Mixing Behaviors of Turbulent Non-Premixed Jet Flames under Acoustic Forcing." Combustion and Flame, 156, 2252-2263,2009.

102. Jeongseog Oh, Pilwon Heo, Youngbin Yoon Acoustic excitation effect on NOx reduction and flame stability in a lifted non-premixed turbulent hydrogen jet with coaxial air// Int. J. of hydrogen energy (2009), V. 34, pp. 7851-7861.

103. Peters, N., Donnerhack, S. (1981). Stucture and Similarity ofNitric Oxide Production in Turbulent Diffusion Flames. Proceedings of the Combustion Institute, 18, 33-42.

104. JI.A. Васильев. Теневые методы. M.: Наука, 1968, 400 с.

105. Б.С. Ринкевичюс, Оптические методы исследования потоков, Лазер-Информ №2 (401), январь 2009, сс. 1-6.

I

i

\

106. C.B. Хмелевой, Использование GPU для расчетов скоростей газожидкостных сред с помощью метода PIV, РАДЮЕЛЕКТРОНН11 КОМП'ЮТЕРШ СИСТЕМИ, 2012, № 6 (58), сс. 124 - 129.

107. С. Tropea, A.L. Yarin, J.F. Foss (Eds.), Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007, XXVIII, 1557p.

108. Иост В. Взрывы и горение в газах. М.: ИЛ, 1952, - 687с.

109. В. В. Козлов, Г. Р. Грек, М. В. Литвиненко, Ю. А. Литвиненко, Г. В. Козлов. Круглая струя в поперечном сдвиговом потоке // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2010. Том 5, выпуск 1, сс. 9-28.

110. М. Scrivner, Т. W. Taylor, С. М. Sorensen, and J. F. Merklin, Soot particle size distribution measurements in a premixed flame using photon ' correlation spectroscopy// APPLIED OPTICS Vol. 25, No. 2, pp. 291 - 297,

1986. i

111. W. L. Flower, Optical Measurements of Soot Formation in Flames// Combust. Sci. Tech. V. 33, № 17, pp. 17 - 33, 1983.

112. K.C. Шифрин, "Рассеяние света в мутной среде", Гостехиздат, 1951 г.

113. Lee S.C., Tien C.L. "Optical Constants of Soot in Hydrocarbon Flames". Proc. 18th Symp. on Combustion, the Combustion Institute, pp. 1159-1166, 1981.