Исследование теплового излучения продуктов сгорания энергетических установок методом вычислительного эксперимента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Кутергина, Наталья Алексеевна

• Кутергина, Наталья Алексеевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кутергина, Наталья Алексеевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1 Современное состояние теории теплового излучения в энергетических установках

1.1 Обзор результатов теоретических исследований теплового излучения

1.2 Обзор результатов исследований радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания в энергетических установках

1.3 Недостатки в расчетах теплового излучения в энергетических установках

1.4 Постановка задачи исследования

Выводы по главе 1

2 Обзор методов решения интегро-дифференциального уравнения переноса энергии излучения в поглощающей и рассеивающей средах

2.1 Интегро-дифференциальное уравнение переноса энергии излучения

2.2 Метод дискретных ординат

2.3 Двухпотоковое приближение

2.4 Метод Монте-Карло

2.5 Метод сферических гармоник

2.6 Представление индикатрисы рассеяния

2.7 Выбор метода для решения уравнения переноса энергии излучением для условий энергетических установок

Выводы по главе 2

3 Комплексное исследование характеристик излучения и радиационных характеристик гетерогенных продуктов

сгорания энергетических установок

3.1 Исходные параметры для вычисления характеристик излучения и радиационных характеристик

3.2 Описание и принципы работы программы. Комплексные исследования микро- и макропараметров и характеристик излучения

3.3 Соответствие элементов базового фортрана его новым версиям. Адаптация программы в условиях нового математического обеспечения

3.4 Преимущества комплексного исследования перед постадийным расчетом

Выводы по главе 3

4 Исследование характеристик излучения и радиационных характеристик энергетических установок

4.1 Вычисление и анализ характеристик излучения для энергетических установок

4.2 Вычисление и анализ характеристик излучения для высокоэнергетических установок

4.3 Вычисление и анализ характеристик излучения для дизелей и газодизелей

4.4 Интерпретация и планирование эксперимента путем математического моделирования

Выводы по главе 4

5 Сравнение результатов исследований характеристик излучения и радиационных характеристик с литературными и экспериментальными данными

5.1 Энергетические установки

5.2 Высокоэнергетические установки

5.3 Дизели и газодизели

Выводы по главе 5

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование теплового излучения продуктов сгорания энергетических установок методом вычислительного эксперимента»

Введение

Теплообмен излучением играет огромную роль в природе и различных областях промышленности и современных технологиях: в лазерной технике, в термоядерных устройствах, в вакуумных аппаратах, в структурах звездных атмосфер, в топках паровых котлов, в печах металлургических предприятий, в различных энергетических агрегатах, в нефтехимической промышленности, в двигателях внутреннего сгорания, в двигателях летательных аппаратов, в аппаратах химической промышленности, в тепловых режимах радиоэлектронной аппаратуры и т.п.

Исследование теплового излучения имеет большое практическое значение, т.к. доля лучистого теплообмена в общем теплообмене при работе различных энергетических установок составляет 20-40%. В некоторых случаях доля теплового излучения может достигать до 80%. Чтобы определить, какова доля теплового излучения в конкретных установках, нужно знать параметры и условия их работы. В дизельных двигателях обычно доля теплового излучения составляет 35-40%. При работе плохо отрегулированного двигателя и нерасчетных режимах, когда происходит высокое сажеобразование, доля теплового излучения может составлять 60-70%.

В продуктах сгорания топлива в промышленных и энергетических установках, в аппаратах химической промышленности, в двигателях внутреннего сгорания содержится довольно большое количество частиц несгоревшего топлива и золы. Часть этих веществ осаждается в топках и газоходах котлов, что приводит к более быстрому износу деталей и механизмов. Другая часть выбрасывается в атмосферу, загрязняя ее и оказывая негативное экологической воздействие на окружающую среду. Для уменьшения износа деталей и механизмов промышленных и энергетических установок, для снижения негативного воздействия на окружающую среду и экологию в целом, для экономии и рационального использования топливно-энергетических ресурсов, необходимо решать проблему повышения

эффективности сжигания топлива и нейтрализации отходов и выбросов в котлах-утилизаторах. С развитием и изменением промышленного производства, с появлением новых установок меняются и продукты сгорания, отходы и выбросы этих установок. Поэтому точный расчет лучистого теплообмена в различных энергетических установках - одно из необходимых и важнейших условий при их проектировании, разработке и эксплуатации.

В связи с активным развитием компьютерного моделирования процессов горения и теплообмена в энергетических установках, в двигателях авиационной и ракетной техники, в двигателях внутреннего сгорания автомобильной и сельхозтехники стало возможно качественно интерпретировать, прогнозировать и планировать физический эксперимент, а также решать обратные задачи теории переноса энергии излучения. Появляется возможность прогнозировать и улучшать эксплуатационные характеристики новых двигателей и энергетических установок, вести контроль за режимами их работы, а также решать проблемы селекции - обнаружение и распознавание летательных объектов, а также их идентификация по тепловому излучению факела.

Исследования в данной области проводились в Институте физики АН Беларуси, МГУ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Санкт-Петербургском государственном университете, Казанском государственном технологическом университете, Институте теплофизики СО РАН, Институте прикладной математики РАН, Вычислительном центре СО РАН, Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева и т.д.

Важные результаты по исследованию излучения были получены в работах В.Е. Алемасова, Л.П. Бахир, В.А. Кузьмина, С.Т. Суржикова, В.А. Каменщикова, К.Б. Панфиловича, В.Я. Клабукова, Адамса, Нельсона, Висканты, Ван де Хюлста, М.А. Таймарова, Л.А. Домбровского, А.Б. Шигапова и других советских и зарубежных исследователей. Общая теория радиационного переноса изложена, например, в работах М.Н. Оцисика, Р. Зигеля, Дж. Хауэлла, В.А. Кузьмина.

Большинство существующих методик исследований теплового излучения посвящено решению отдельных конкретных задач: либо определение оптических свойств, либо расчет радиационных характеристик разного рода частиц или конструкционных материалов и т.д. Расчетных методик, которые в комплексе позволяют учитывать реально протекающие процессы и решать одновременно множество задач теплового излучения, практически нет.

Численное моделирование теплового излучения, оптических свойств и радиационных характеристик гетерогенных продуктов сгорания позволяет решать множество проблем, возникающих при проектировании и работе различных энергетических установок, в обратных задачах теплообмена, в метрологических и экологических исследованиях.

Теоретическое исследование теплового излучения позволяет сократить число дорогостоящих и трудновыполнимых физических экспериментов, получать расчетным путем недостающие из реального эксперимента термо- и газодинамические параметры, например, когда регистрирующая аппаратура не обладает достаточной точностью и разрешающей способностью.

Вследствие активного исследования радиационного теплообмена, которое ведется уже на протяжении многих десятилетий, математический аппарат современной теории переноса энергии излучения стал достаточно сложным.

Мощности современных вычислительных машин и персональных компьютеров позволяют проводить сложные научные расчеты, что было трудноосуществимо ранее. В связи с этим произошло уточнение старых методов, и появились новые методы расчета, позволяющие исследовать зависимости оптических свойств, характеристик излучения и радиационных характеристик от длины волны, температуры, состояния поверхности и т.п. Задачи теплообмена излучением основываются на сложных физических и математических моделях, поэтому теоретическое исследование теплообмена всегда было сложной проблемой, которую в настоящее время ее наиболее эффективно решать при помощи ЭВМ, создавая вычислительный алгоритм поставленной задачи.

В диссертации рассмотрены дисперсные системы частиц гетерогенных продуктов сгорания энергетических установок, которые характеризуются различными оптическими свойствами, термо- и газодинамическими параметрами, характеристиками излучения и радиационными характеристиками.

Основные методы научных исследований в работе: методы вычислительной математики, теории лучистого теплообмена, общей химии и физики. Для расчетов характеристик излучения и радиационных характеристик энергетических установок использовался язык программирования Fortran 90, математические пакеты Maple 11 и Mathcad 2001. Для построения графических зависимостей использовался программный продукт пакета Microsoft Office -Microsoft Office Excel 2007. Для создания схем использовался программный продукт Microsoft Office Visio 2007.

Научная новизна:

1. Впервые организована технология и создана методика вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания для промышленных и энергетических установок, ракетных двигателей и двигателей внутреннего сгорания;

2. Методом вычислительного эксперимента проведены комплексные исследования и получены радиационные характеристики и характеристики излучения для восьми энерготехнологических агрегатов, ракетных двигателей, дизелей и газодизелей;

3. Для различных энергетических установок методом вычислительного эксперимента установлено влияние определяющих факторов и параметров на характеристики излучения;

4. Впервые показана универсальность методики вычислительного эксперимента для различных энергетических установок.

Достоверность результатов работы обусловлена применением современных методов теоретических исследований, математического моделирования, сопоставимостью полученных результатов с литературными и экспериментальными данными. Отличие результатов вычислительных исследований от экспериментальных результатов не превышает 5-7% для энергетических установок и до 2% при сравнении полученных в работе результатов с расчетными данными других исследователей для высокоэнергетических установок. Основная проблема, которая возникает при сравнении результатов, полученных в данной работе с опубликованными данными заключается в том, что в большинстве работ исходные данные указаны не в полном объеме, поэтому воспроизвести точные значения, полученные авторами работ, невозможно.

Практическая ценность работы.

Полученные результаты характеристик излучения и радиационных характеристик позволяют судить о вкладе различных термо- и газодинамических параметров на сечения и коэффициенты, на плотности потоков и степень черноты газовой и конденсированной сред в различных участках спектра. Подробная информация о результатах всех этапов вычислений дает возможность ограничиться результатами в каждом конкретном случае для определенных исследований: в области теплообмена (плотности потоков, степень черноты), в спектроскопии (коэффициенты и сечения), для определения функции распределения, оптических констант при решении обратных задач. Вычислительный эксперимент позволяет планировать физический эксперимент по определению температур газа и частиц оптическими методами (в спектральных областях наибольшего излучения газа или частиц). Решением обратной задачи с помощью вычислительного эксперимента можно получить недостающие или по оптическим свойствам, или по дисперсности новые данные, когда физический эксперимент затруднен или практически неосуществим (учет разного рода неравновесностей и рассеяние на

частицах). Изучение характера и уровня радиационных характеристик и характеристик излучения позволяет воздействовать на процессы горения топлив наиболее сильно излучающими спектральными областями, либо экранировать или фокусировать это излучение конструкционными материалами в энергетических установках. Характеристики излучения двигателей летательных аппаратов могут быть использованы для решения проблем селекции (обнаружение, распознавание летательных объектов и наведение на них зенитных управляемых ракет по тепловому излучению факела) и проблемы защиты летательных аппаратов ложными целями от зенитных управляемых ракет по тепловому излучению.

Реализация результатов работы.

1. Получен акт об использовании результатов диссертационной работы при расчетах теплового излучения в энергетических агрегатах Кировского филиала Открытого акционерного общества «Территориальная генерирующая компания №5».

2. Межрегиональным советом по науке и технологиям (г. Миасс) рекомендовано опубликовать научный обзор по профилю выполняемой диссертации для передачи в заинтересованные НИИ, КБ и предприятия для практического использования.

3. Получен акт о внедрении (использовании) результатов диссертационной работы в учебном процессе: при чтении лекций, курсовых работах и дипломном проектировании по дисциплинам «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета энергетических установок» и «Автомобильные двигатели» для студентов, обучающихся по специальностям 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования в АП» и 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство» на инженерном факультете Вятской ГСХА.

На защиту автором выносятся:

1. Технология и методика вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания для промышленных и энергетических установок;

2. Результаты вычислительного эксперимента по исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения различных энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей;

3. Анализ влияния определяющих факторов и параметров на характеристики излучения в энергетических установках;

4. Доказательство универсальности методики вычислительного эксперимента по исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания различных энергетических установок.

Личное участие.

Основные результаты получены лично автором на основе математического моделирования и проведенных вычислительных экспериментов под научным руководством профессора, д. т. н. Кузьмина В.А.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 133 страницы машинописного текста, 58 рисунков, 9 таблиц и 164 наименования в списке использованной литературы.

В первой главе выполнен обзор результатов теоретических исследований теплового излучения и результатов радиационных характеристик частиц в энергетических установках. В результате обзора выявлен ряд

существенных недостатков в расчетах теплового излучения, которые необходимо учесть при выполнении исследований в настоящей работе.

Сформулирована цель работы: создание методики комплексного исследования радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания в различных энергетических установках методом вычислительного эксперимента. Обозначены объекты исследования: гетерогенные продукты сгорания энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей. Описаны основные задачи настоящей работы, а также обоснована актуальность поставленных целей и задач.

Вторая глава посвящена обзору методов решения интегро-дифференциального уравнения переноса энергии излучения в поглощающей и рассеивающей средах, а также обоснован выбор метода для решения поставленных задач. На основе понятия индикатрисы рассеяния и рассмотрено рассеяние на частицах разных типов.

В третьей главе перечислены основные факторы, влияющие на тепловое излучение, а также исходные параметры для вычисления характеристик излучения и радиационных характеристик. Описаны основные принципы работы вычислительной программы. Проведено сравнение некоторых элементов базового Фортрана с элементами современных версий Фортрана. Указаны преимущества комплексного расчета перед постадийным расчетом.

В Четвертой главе методом вычислительного эксперимента выполнены исследования и проведен анализ характеристик излучения для энергетических установок (котлов КУ-125, КС-450-ВТКУ, УЭЧМ-67, БКЗ-210-140Ф, ТОП 35/40), для высокоэнергетических установок (микродвигателей и модельных ракетных двигателей), для дизелей и газодизелей. Также указаны возможности метода математического моделирования для интерпретации, прогнозирования и планирования физического эксперимента.

В пятой главе проведено сравнение результатов вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей с результатами работ А.Г. Блоха, М.А. Таймарова, В.А. Кузьмина, Р.З. Кавтарадзе.

В заключении в обобщенной форме приведены основные полученные в диссертационной работе научные результаты исследования характеристик излучения и радиационных характеристик для конкретных энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей, а также оценена практическая значимость полученных результатов.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на всероссийских и международных научно-технических конференциях (НТК) и семинарах:

На Всероссийских НТК «Наука-Производство-Технологии-Экология» Вятского государственного университета 2008-2009 гг.; На Всероссийских НТК «Общество-Наука-Инновации» Вятского государственного университета 20102011 гг.; на Всероссийских научных конференциях студентов - физиков и молодых ученых: ВНКСФ-14 (г. Уфа) 2008 г., ВНКСФ-15 (г. Кемерово, г. Томск) 2009 г., ВНКСФ-16 (г. Волгоград) 2010 г., ВНКСФ-17 (г. Екатеринбург) 2011 г.; на Летних межрегиональных школах физиков: ЛМШФ-4 (г. Пермь - г. Екатеринбург) 2008 г., ЛМШФ-5 (г. Томск - г. Новосибирск) 2008 г., ЛМШФ-6 (г. Волгоград-г. Новороссийск) 2010 г., ЛМШФ-7 (г. Улан-Удэ - г. Красноярск) 2011 г.; на II и IV Международных научно-практических конференциях «Наука - Технологии - Ресурсосбережение» г. Санкт-Петербург - г. Киров 2009 г и 2011 г.; на Международных молодежных научных конференциях «XVIII и XIX Туполевские чтения» г. Казань 2010-2011 г.; на 5 Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5) г. Москва 2010 г.; на XI Всероссийской молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-11) г.Екатеринбург 2010 г.; на Международной

молодежной НТК «XXXVII Гагаринские чтения» г. Москва 2011 г.; на VI Международной молодежной НТК «Тинчуринские чтения» г. Казань 2011 г.; на XXXI Всероссийской конференции «Наука и технологии» г. Миасс 2011 г.

По результатам научных исследований в 2008 г. на Всероссийской НТК «Наука - Производство - Технологии - Экология» в Вятском государственном университете г. Киров работа удостоена грамоты за 1 место по техническим специальностям за лучшую научную работу на немецком языке; в 2010 г. на Международной молодежной научной конференции «XVIII Туполевские чтения» в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева г. Казань работа удостоена диплома II степени за высокий научный уровень представленного доклада; в 2011 г. на Международной молодежной научной конференции «XIX Туполевские чтения» в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева г. Казань работа удостоена диплома I степени за высокий научный уровень представленного доклада.

В 2011 г. на XXXI Всероссийской конференции «Наука и технологии» г. Миасс получено заключение Межрегионального совета по науке и технологиям (МСНТ) о признании научных результатов в качестве основы для подготовки и защиты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук.

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ.

Работа выполнена на кафедре физики Вятского государственного университета под руководством д. т. н., профессора Кузьмина В.А.

Автор выражает огромную благодарность и признательность научному руководителю, д. т. н., профессору Кузьмину Владимиру Алексеевичу за полезные консультации, важные замечания, моральную поддержку и другую помощь, оказанную при подготовке диссертации. Также автор выражает благодарность к. т. н., доценту Мараткановой Елене Ивановне, которая, совместно с Кузьминым В.А., написала исходные алгоритмы компьютерных программ, применяемые в данной работе.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ 1.1 Обзор результатов теоретических исследований теплового излучения

В различных областях современных технологий важную роль играют процессы теплообмена излучением [4, 9-14, 26, 35, 36, 42-45, 56-59, 72-78, 8492, 96-98, 102-117, 122, 125, 126], т.к. при помощи этих процессов передается основное количество теплоты объектам нагрева в различных энергетических агрегатах, в двигателях внутреннего сгорания, в топках паровых котлов и печах металлургических предприятий. Также это относится и к двигателям летательных аппаратов: к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), к воздушным ракетным двигателям (ВРД) и к ракетным двигателям на твердом топливе (РДТТ).

Теоретическим исследованием теплового излучения занимались многие авторы, среди которых: А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжиков, Р. Зигель, Дж. Хауэлл, Г.Ф. Нельсон, С.Т. Суржиков, Л.П. Бахир, Г.И. Левашенко, В.В. Таманович, А.Б. Шигапов, В.А. Аляев, К.Б. Панфилович и др.

А.Г. Блох в работе [11] рассматривал методы расчета теплообмена излучением в топках паровых котлов. Он рассматривал топочную среду (пламя), как сложную полидисперсную систему, состоящую из твердой и газообразной фаз. При сжигании газа и мазута твердую дисперсную фазу факела образуют частицы сажистого углерода очень малых размеров. При сжигании угольной пыли — частицы золы и кокса, размеры которых значительно превосходят размеры частиц сажистого углерода. Радиационные свойства этих частиц, их рассеивающая и поглощательная способности в основном определяют условия переноса энергии излучения в топочных камерах.

Сложность процесса теплообмена в топке связана с тем обстоятельством, что перенос энергии от пламени к тепловоспринимающим поверхностям нагрева происходит в процессе химических реакций в движущейся селективной

излучающей, поглощающей и анизотропно рассеивающей среде. Тепловоспринимающие поверхности нагрева, покрытые слоем отложений с высоким термическим сопротивлением, характеризуются, как и факел, высокой селективностью радиационных характеристик, которые определяют граничные условия в сопряженной задаче теплопереноса.

На условия теплообмена существенно влияют такие факторы, как размеры и конфигурация топочной камеры, конструкция и компоновка горелочных устройств, вид сжигаемого топлива, особенно характеристики его минеральной части, режимные условия протекания топочного процесса. Учесть влияние всех этих факторов в методе расчета очень трудно. Однако на основании имеющихся опытных данных и ряда теоретических решений эти влияния можно обоснованно прогнозировать.

В работе было выделено две группы методов расчета теплообмена в топке [11]:

1) Аналитические методы, которые, должны давать наиболее общее и полное описание процесса. Полученные с помощью ЭВМ частные решения используются для анализа физических особенностей процесса.

2) Полуэмпирические методы, которые широко используются в инженерной практике в рамках «серого приближения». Они базируются на определенных физических закономерностях и связях (уравнение переноса энергии излучения и уравнение энергии), которые дополняются (замыкаются) установленными из опытов экспериментальными коэффициентами и зависимостями между отдельными параметрами топочного процесса.

Был также сделан акцент на то, что, рассматривая вопрос о методах расчета теплообмена в топке, необходимо иметь в виду, что речь идет не только об основных уравнениях и критериях, но и о всей совокупности общих и частных положений, эмпирических коэффициентов и параметров, которые необходимо учитывать при расчетах и которые базируются на непосредственных экспериментальных данных и опыте эксплуатации агрегатов. Лишь в таком плане можно говорить об инженерном методе расчета.

Таким инженерным методом является нормативный метод [117]. В нем представлены две методики: ЦКТИ имени И. И. Ползунова и Всесоюзного теплотехнического института имени Ф. Э. Дзержинского совместно с Энергетическим институтом имени Г. М. Кржижановского (ВТИ - ЭНИНа). Методика ЦКТИ является основной и рекомендуется для расчета теплообмена в однокамерных и полуоткрытых топках. По своему существу она базируется на критериях, вытекающих из уравнений энергии и переноса энергии излучения. Непосредственные расчетные зависимости устанавливаются при этом путем обработки опытных данных методом теории подобия.

А.Г. Блох провел расчет локального теплообмена для сжигания Березовского и ирша-бородинского углей. Проведенные расчеты показали, что при некоторых различиях в абсолютных величинах спектральный состав всех видов радиационных потоков для разных видов углей остается одинаковым. Аналогичным остается также изменение спектральных распределений по высоте топки. Расчет по «серой» модели приводит к завышению значения плотности потока результирующего излучения на экранных поверхностях нагрева. Средняя величина этого завышения составляет для всей топочной камеры примерно 10% по сравнению с расчетом по реальным селективным радиационным характеристикам пламени и поверхностей нагрева. Соответствующим образом занижается температура газов на выходе из топки по сравнению с имеющимися опытными данными. Расчет с учетом реальных селективных свойств теплового излучения пламени и поверхностей нагрева дает возможность определить температуру газов на выходе из топки, которая хорошо согласуется по значению с имеющимися опытными данными [11].

В работе [12] авторы рассматривают радиационные свойства материалов и радиационно-геометрические характеристики системных тел, приводят различные численные методы расчета теплообмена излучением, например, зональные методы. Проведен расчет теплообмена в топках и металлургических печах.

Г.Ф. Нельсон в работе [79] проводит расчет радиационных характеристик факела ракеты с учетом температурной неравновесности газовой фазы и частиц.

Л.П. Бахир, Г.И. Левашенко, В.В. Таманович в работе [7] исследуют влияние дисперсного состава частиц А12Оз на характер спектральных зависимостей и величину коэффициентов поглощения и рассеяния частиц А12Оз. Анализ влияния нижнего передела интегрирования (измерений) при статистической обработке проб на точность расчета позволил сделать выводы о том, что нижний предел измерения должен устанавливаться на основании данных анализа о вкладе частиц различного размера в коэффициенты поглощения и рассеяния с учетом требуемой точности в заданном спектральном интервале длин волн. В работе проводится расчет спектральных коэффициентов поглощения и рассеяния в спектральном интервале 0,6...8,0 мкм при помощи способа, описанного в работе [8], а также оценивается вклад частиц различных размеров (с диаметром 0,02... 12 мкм) в суммарные коэффициенты.

С.Т. Суржиков в своих работах исследует радиационные и газодинамические процессы, создает различные вычислительные модели. Например, в работе [105] создана диалоговая система вычислительного эксперимента MONSTR, которая предназначена для построения оптимальных радиационных моделей среды в механике излучающего газа в диапазоне температур 2000...20000 К, давлений 0,01... 100 атм, также на базе уравнения Навье-Стокса построены квазидвумерные и двумерные численные модели для описания радиационных и газодинамических процессов в непрерывном оптическом разряде. Построен метод расчета теплообмена излучением с учетом линейчатой структуры спектра в объемах произвольных геометрий.

А.Б. Шигапов в работе [123] разработал базу данных по коэффициентам поглощения индивидуальных газообразных веществ, таких как Н20, С02, СО, NO, ОН, HCl, HF, N02, N20, CN, S02, H2S, CH4, C2H6, C3H8 - в видимой и ближайшей ИК - областях спектра. Также разработана база данных по

комплексным показателям преломления веществ частиц дисперсной фазы продуктов сгорания, таких как А1203, Mg0,B203, LiF, ВеО в широком интервале длин волн и предельных температур плавления и выше. Для обработки файлов из баз данных разработана специальная программа на языке Fortran.

1.2 Обзор результатов исследований радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания в энергетических

установках

Исследованием радиационных характеристик частиц в энергетических установках занимались многие авторы, среди которых М.Н. Абрамзон, Ф.Н. Лисин [1], В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, A.C. Черенков [3], А.Г. Блох [10, 11],

A.Р. Галяутдинов [20], Л.А. Домбровский [26-29, 131], Р.З. Кавтарадзе [37],

B.Я. Клабуков [14], Л.Т. Гребенщиков, В.А. Кузьмин [128], А.Д. Ключников, Г.П. Иванцов [43], В.А. Кузьмин, Е.И. Маратканова [45-56], В.А. Лиханов, В.Г. Мохнаткин, A.B. Россохин [58, 59], В.В. Митор [72, 73], М.Л. Модзалевская, А.П. Погребняк [75, 76], A.C. Невский [78], Ю.А. Попов [86], А.П. Пришивалко, Е.К. Науменко [91, 92], М.В. Страдомский, Е.А. Максимов, С.Т. Суржиков [105-107], М.А. Таймаров [108-116], Р.Г. Гильфанов [21], А.Б. Шигапов [124-126] и др.

А.Г. Блох, Э.С. Карасина, М.Л. Модзалевская исследовали в лабораторных условиях интегральную поглощательную способность золовых частиц при комнатной температуре. Проводились исследования для различных марок углей и сланцев, которые различаются по химическому составу, дисперсному составу частиц, температуре плавления золы и т.п.

В своей монографии [11] А.Г. Блох приводит экспериментальные данные по эффективному сечению ослабления золовых частиц различных марок углей, используемых при сжигании в различных котлоагрегатах: березовского, кузнецкого, ирша-бородинского и экибастузского. Эксперименты проводились при следующих условиях: геометрическая толщина поглощающего слоя L = 0,08м; 0,17м, концентрация частиц // = 50... 1000 г/м3, температура частиц

Т - 293К. С ростом температуры абсолютно черного тела Тлчт значения эффективного сечения ослабления Кп увеличиваются.

1) Зола березовского угля: химический состав: СаО=42%, 8102=30%, А1203=11%, Ре203=9%, ]У^О=6%, К20=2%, удельная поверхность пыли F = 0,09 м2 / г, средний диаметр частиц ¿ср = 21 мкм;

2) Зола кузнецкого угля: химический состав СаО=5,5%, 8Ю2=49%, А120з:=25%, Ре203=15%, удельная поверхность пыли Г = 0,17 м21 г, средний диаметр частиц йср = \1 ,Ъмкм\

3) Зола ирша-бородинского угля: химический состав СаО=26%, 8Ю2=47%, А1203=13%, Ре203=8%, удельная поверхность пыли Р = 0,09 м2 / г, средний диаметр частиц с1ср = 25мкм;

4) Зола экибастузского угля: химический состав СаО=1,7%, 8Ю2=64,5%, А1203=27,5%, Ре2Оэ=4,5%, Мв0=0,2%, К20=0,6%, ТЮ2=0,7%, Ыа20=0,3%, удельная поверхность пыли Т7 = 0,12 м2/г, средний диаметр частиц <Л = 25мкм.

ср

При сжигании угольной пыли [11] характеристики излучения и радиационные характеристики были установлены в опытах ЦКТИ им. И.И. Ползунова. Например, опыты на котлоагрегате БКЗ-Э20-140 ПТ-5 проводились при сжигании ирша-бородинского и березовского углей. Характеристики излучения топки исследовались в различных зонах по высоте топочной камеры при различных нагрузках агрегата. Из представленных опытных данных сделаны выводы, что увеличение негрузки агрегата приводит к увеличению интегральной поверхностной плотности потока падающего излучения дпад во всех зонах по высоте топки по линейной зависимости. При заданной постоянной нагрузке изменение величины дпад по высоте топки имеет нелинейный характер, а с понижением нагрузки агрегата неравномерность распределения по высоте топки дшй возрастает. Спектральные распределения поверхностной плотности потока падающего излучения ЯпаЛ^)

характеризуются существенной неравномерностью. В областях полос поглощения СОг 2,7 и 4,3 мкм спектральная поверхностная плотность потока излучения пламени близка к спектральной поверхностной плотности потока излучения абсолютно черного тела при температуре пламени. Спектральные поверхностные плотности потока падающего излучения д„ад(Л) и излучения твердой дисперсной фазы пламени д„(Л) существенно уменьшаются по мере удаления от зоны расположения горелок в сторону выходного окна топки. Это связано со снижением температуры пламени и с уменьшением концентрации коксовых частиц.

По данным величинам д„аг)(Л) и д„(Л) в работе [11] определены спектральные степени черноты топочного излучения £т(Л) и твердой дисперсной фазы пламени еп (Л), а также показано, что изменение этих величин по высоте топки носит нелинейный характер. Такое изменение подтверждается данными непосредственных интегральных измерений, а также расчетами по спектральным данным. В работе также приведены сравнения джи)(Л), д„(Л), £т(Л), £„{Л) Для ирша-бородинского и березовского углей, вследствие чего сделаны выводы, что пламя ирша-бородинского угля является более мощным источником теплового излучения, чем пламя березовского угля.

Опыты на котлоагрегате БКЭ-320-140 ПТ-4 проводились при сжигании березовского угля. В отличие от березовского угля, который сжигался в котле БКЗ-320-140 ПТ-5 данный уголь характеризуется повышенной зольностью и более высоким содержанием в золе оксидов кальция и магния (до 72%). Соответственно иными будут и оптические константы золы. Спектральная поверхностная плотность потока падающего излучения в топке котла при различных нагрузках имеет нелинейный характер. Характер изменения дпад в зависимости от высоты топки Н одинаков для различных нагрузок агрегата. В соответствии с изменением дпа0{н) и температуры пламени Тф изменяются все

его радиационные характеристики: степень черноты топочного излучения ет,

степени черноты пламени еф и его твердой дисперсной фазы еп, степень черноты газов (СО2+Н2О) ег (рис. 1.1).

1,0

Щ8 0,8 0,4 0,2

8 Я? 12 п 16 18Н,м

Рис. 1.1. Характеристики излучения топочного излучения при сжигании березовского угля в топке котлоагрегата БКЭ-320-140 ПТ-4 при нагрузке

£> = 300т!ч [11].

Опыты на котлоагрегате БКЗ-420-140-5 производительностью 420 т/ч проводились при сжигании высокозольного экибастузского каменного угля марки СС. Спектральная поверхностная плотность потока падающего излучения в топке котла при различных нагрузках имеет нелинейный характер. Характер изменения плотности интегрального потока падающего излучения в зависимости от высоты топки Н одинаков для различных нагрузок агрегата. Увеличение нагрузки агрегата приводит к возрастанию плотности потока падающего излучения во всех зонах по высоте топочной камеры. В соответствии с изменением плотности потока падающего излучения и температурного поля топки изменяется интегральная степень черноты бт в различных зонах топочной камеры [И].

На котлоагрегате ТП-109 паропроизводительностью Б = 670 т/ч энергоблока 210 МВт исследовались характеристики теплового излучения топки при сжигании кузнецкого каменного угля марки СС и отходов процесса обогащения донецкого каменного угля марки Г. Изменение вида топлива не приводит к заметному изменению поверхностной плотности интегрального

потока падающего излучения qnad. В зоне максимального тепловыделения на уровне расположения горелок плотность потока падающего излучения при сжигании отходов обогащения донецкого газового угля несколько выше, чем при сжигании кузнецкого каменного угля. В то же время изменение нагрузки приводит к существенному изменению величины qnad. При постоянной нагрузке агрегата увеличение коэффициента избытка воздуха приводит к снижению плотности потока падающего излучения во всех зонах по высоте топочной камеры. Выявлено также, что при сжигании указанных топлив имеется заметная неравномерность распределения по ширине топки поверхностной плотности потока падающего излучения, особенно в зоне максимального тепловыделения. При номинальной нагрузке агрегата в центральной части стен, на уровне нижнего яруса горелок qnad = 250...260 кВт/м2, в то время как по углам топки qnad = 120... 190 кВт/м2. В зоне верхнего яруса горелок, в центральной части стен qmd = 280...360 кВт/м2, а по углам qnad = 200 кВт /м2. Радиационные характеристики топочного излучения для различных зон топки приведены на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Характеристики излучения топочного излучения котлоагрегата ТП-

109.

1 - Кузнецкий каменный уголь, 2 - Отходы обогащения донецого газового угля

[И].

Из рисунка видно, что более высокие значения всех этих радиационных характеристик в зонах, расположенных выше уровня горелок, наблюдаются при сжигании кузнецкого каменного угля, обладающего более высокой теплотворной способностью по сравнению с отходами обогащения донецкого газового угля. В зоне ядра горения значения указанных характеристик примерно одинаковы для обоих топлив. На уровне нижнего яруса горелок более высокими значениями радиационных характеристик обладает пламя, образующееся при сжигании отходов обогащения донецкого газового угля, имеющего по сравнению с кузнецким углем повышенный выход летучих.

В опытах на котлоагрегате ТПП-210А, оборудованном топкой с жидким шлакоудалением, исследовалась интегральная поглощательная способность пламени при сжигании донецкого тощего угля с зольностью Ар = 25%.

Здесь непосредственно изучалось пропускание пламенем излучения вспомогательного источника и уже по этим данным определялась интегральная поглощательная способность пламени аф. В основу методики измерений был

положен метод Шмидта. Использование этого метода для послойных измерений дало возможность определить интегральную оптическую толщину слоя таф=-\п{\.-аф) в различных зонах по глубине топочной камеры. Как

показали проведенные опыты, оптическая толщина слоя сравнительно мало изменяется по толщине слоя пламени и может быть принята постоянной в каждой из элементарных зон по высоте топки. Наибольших значений оптическая толщина слоя достигает в зоне ядра факела на уровне расположения горелок. Она уменьшается в направлении к выходному окну топки.

Также проводилисть опыты на водотрубном котле-утилизаторе КС-ВТКУ, предназначенном для работы на обжиговом газе, образующемся в печи кипящего слоя при обжиге серного колчедана. Газ в основном состоит из двуоксида серы 802, водяного пара Н20 и содержит большое число частиц огарковой пыли. Радиационные характеристики газа зависят от оптических свойств частиц, определяемых их комплексным показателем преломления. Зная

данные о дисперсии показателей преломления и поглощения (рис 1.3), можно рассчитать факторы ослабления, поглощения и рассеяния.

Рис. 1.3. Дисперсия показателей преломления п(Я) и поглощения %(Л) для

частиц огарка [11].

Спектральная поверхностная плотность потока падающего излучения д/ш0 в значительной мере зависит от температуры Т, концентрации пыли /и и толщины излучающего слоя Ь. Показано, что излучение обжигового газа характеризуется высокой селективностью и существенно изменяется в зависимости от /иЬ и Т. Характер спектрального распределения определяется тепловым излучением трехатомных газов БОг и Н20 и частиц огарковой пыли. На основании полученных данных вычислена интегральная степень черноты потока обжигового газа ег+п, которая связана со степенями черноты частиц огарка £п и газов (802 и Н20) £г зависимостью:

где

Основной вклад в величину аг+п вносит излучение частиц огарковой пыли. Проведенные опыты показали, что в рассматриваемых пределах изменения значения произведения /иЬ = 10...60 г/м2 закон Бугера—Бера достаточно хорошо описывает радиационные свойства потока частиц огарковой пыли.

Поглощательная способность золовых частиц в работе [75] вычислена по экспериментально определенным значениям показателей преломления и поглощения золовых частиц. Погрешность измерения этих показателей в большинстве случаев выше, чем непосредственное измерение поглощательной способности частиц в лабораторных условиях.

В работе [76] в лабораторных условиях проводились исследования поглощательной способности аэродисперсного потока твердых частиц, которые были взяты из газохода печей при переработке сульфидных руд. Эксперименты выполнялись при следующих условиях: геометрическая толщина поглощающего слоя Ь = 11мм, концентрация частиц // = 120... 1500 г/нм3, удельная поверхность пыли 7^ = 0,117 м2 /г, средний диаметр частиц с1ср - 8мкм, плотность частиц р - 6,25 г / м3, температура частиц Т = 293К, температура абсолютно черного тела ТАЧТ = 600... 1200^. Основным фактором, который влияет на поглощающую и излучающую способность является массовая концентрация частиц //, [г/уи3].

В работе установлено, что при возрастании ]иЬ = 10.. .50 г!м2, эффективное сечение ослабления Кп уменьшается от 0,0031 до 0,0019 м /г. Для расчета одновременного влияния /А, и Г на Кп получена формула:

г

Кп = 0,0033 1

0,6

у/з

В работе [86] Ю.А. Попов в лабораторных условиях исследовал интегральный коэффициент ослабления излучения аэродисперсным потоком частиц мартеновской пыли, которые были отобраны из-под насадок мартеновской печи Нижнетагильского металлургического комбината. В химическом составе пыли содержалось 72% оксида железа Ре203. Эксперименты выполнялись при следующих условиях: геометрическая толщина поглощающего слоя Ь = 0,06м, концентрация частиц // = 240...460 г/ж3, плотность частиц р = 4,85 г / см3, температура частиц Т = 293К, температура абсолютно черного тела ТАЧТ = 373... 1273К.

В работе было установлено, что при /л > 200 г / мъ, интегральный коэффициент ослабления начинает уменьшаться. Влияние температуры Т на поглощательную способность потока чатиц пыли сказывается в пределах точности проведенных измерений.

При разных значениях удельной поверхности пыли Т7, м2 /г и среднего диаметра частиц йср,мкм в работе [86] получены следующие значения эффективных сечений ослабления^:

1) При ^ = 0,032 м21 г, с!ср= $мкм Кп =0,0130 м2/г;

2) При Р = 0,040 м21г, аср= 24мкм Кп = 0,0190м2 /г;

3) При Е = 0,048 м2 / г, с1ср = Юмкм Кп = 0,0246 м2 /г.

В своих работах Двойнишников В.А. [22], Зах Р.Г. [34], Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. [98] рассматривали теплообмен в топках котельных установок. В работах приводятся формулы для вычисления коэффициентов ослабления, поглощения, теплового потока излучения, плотности потока излучения, излучательной способности и степени черноты. Показано, что коэффициент поглощения в топке зависит от вида топлива, его характеристик и условий сжигания, а также от давления газов в топке.

Таймаров М.А., Гильфанов Р.Г. [21, 116] в лабораторных условиях на экспериментальных установках исследовали поглощательные способности

твердых дисперсных фаз частиц при разных температурах и концентрациях. Получены уравнения зависимостей коэффициентов ослабления лучей от температуры частиц при различных концентрациях для образцов, взятых из энерготехнологических агрегатов, среди которых доломитовая мука, зола кузнецкого угля, огнеупор легковес (Семилукский огнеупорный завод), пыль из бункера котла печи № 2 (Красноуральский медеплавильный комбинат) и др.

Страдомский М.В., Максимов В.А., Лиханов В.А., Кавтаразде Р.З. занимались исследованиями радиационных характеристик в различных двигателях внутреннего сгорания, дизелях и газодизелях. В работах приведены радиационные характеристики различных двигателей в зависимости от углов поворота коленчатого вала в цилиндре дизеля.

Шигапов А.Б. в своей работе [124] исследует радиационный теплообмен в топках энергетических котлов методом характеристик. Расчет проводился для трех значения температур 1000 К, 1500 К, 2000 К, спектральный диапазон длин волн 0...40 мкм, спектральная излучательная способность стенок была постоянной и равной 1. Погрешность расчетов не превышает 4%. Максимальное значение спектральной плотности потока падающего излучения расположено в интервале длин волн 2,1...2,9 мкм. В работе [126] рассчитаны радиационные свойства - коэффициенты ослабления и рассеяния и индикатрисы рассеяния полидисперсных частиц топочных газов. Расчеты проведены для золы Березовского и Ирша-Бородинского углей.

На рис. 1.4 приведены сводные данные о поглощательной способности а твердых дисперсных фаз из агрегатов в зависимости от произведения ¡Ж, при температуре частиц 293 К по данным различных авторов.

100

Рис 1.4. Поглощательная способность а твердых дисперсных фаз из агрегатов в зависимости от произведения /jL при температуре частиц 293 К

по данным различных авторов:

.................. экспериментальные данные Блоха А.Г. [11] для золы

Березовского угля (химический состав золы: СаО=42%, Si02=30%, А120з=11%, Fe203=9%, MgO=6%s К20=2%; Z = 0,08л*, температура абсолютно черного тела Тлчт = \21ЪК удельная поверхность F = 0,09м2 /г, средний по удельной поверхности диаметр частиц dcp =21 мкм)\

—— расчет по нормативному методу [117] для золы березовского угля при ¡и = 22 г!м , dcp =16мкм, ТАЧТ = 121ЪК;

_ зола эстонского сланца - эксперимент Э.С. Карасиной

[39] (химический состав: Si02=35%, Al203=9%, Fe203=7,5%, СаО=43%, MgO=4%, K20=l,5%; L = const);

___________ эксперимент Модзалевской M.JI. [75] по образцам из

агрегата кислородно-взвешенной циклонной плавки сульфидных руд (L = 0,077м, Тлчт = 900#, химический состав не приводится, F = 0,117 м2 / г, dcp = 8мкм );

----расчет при /и = const = 500 г / мъ Абрамзона М.Н. [1] для

частиц медной сульфидной шахты: (FeS2=36,88%, CuFeS2=34,66%, Si02=19,97%, ZnS=8,49%. Показатели преломления п и поглощения х взяты для FeS2 из [36], для Fe203 - из [32], для ZnS, Si02 - из [33], сведений о дисперсном составе частиц не приводится);

-------эксперимент Попова Ю.А. [87] для мартеновской пыли

(Fe203=72%, L = 0,06m, Тачт=\213К, dcp = 8-24мкм);

---Расчет Таймарова М.А., Гильфанова Р.Г. [21] для золы

кузнецкого угля (Са05,3%, Si02=49%, Al203=25,2%, Fe203=15%, MgO=2,2%, удельная поверхность пыли F = 0,069 м2 / г, средний диаметр частиц dcp = 35,7мкм, L = 0,08ж, Тлчт = 525К).

Из сопоставления экспериментальных данных, полученных в работах разных авторов, можно сделать вывод о том, что имеются значительные различия в химическом составе частиц, в удельной поверхности пыли F, в средних диаметрах частиц dcp.

1.3 Недостатки в расчетах теплового излучения в энергетических

установках

К основным недостаткам в расчетах теплового излучения в энергетических установках относятся:

1. Невозможность воспроизведения многих опубликованных экспериментальных результатов из-за недостатка исходных данных;

2. Во многих работах не указаны размерности;

3. Довольно часто в расчетах используется серое приближение (серая среда излучения, серые стенки);

4. В некоторых работах учитывается излучение только газовой фазы, в других - излучение только частиц;

5. Некоторые авторы не учитывают в своих работах рассеяние излучения на частицах или учитывают только изотропное рассеяние;

6. Из-за отсутствия радиационных характеристик конденсированной фазы часто используются результаты экспериментальных и расчетных характеристик на приближенном уровне, полученные путем аппроксимации и линейной интерполяции;

7. Практически во всех расчетных работах не учитываются неравновесности (тепловая и динамическая);

8. Некоторые результаты не учитывают спектральные особенности излучения газовой фазы;

9. Многие работы не указывают химический состав и не учитывают оптические свойства газовой фазы.

1.4 Постановка задачи исследования

На основании проведенного обзора, можно сформулировать цель и задачи исследования.

Цель работы: создание методики комплексного исследования радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания в различных энергетических установках методом вычислительного эксперимента.

Под радиационными характеристиками здесь понимаются переменные, задающие макросвойства среды при исследовании теплового излучения. К радиационным характеристикам единичных частиц относятся сечения поглощения, рассеяния и ослабления и индикатриса рассеяния. К радиационным характеристикам единичного объема относятся спектральные коэффициенты ослабления, поглощения и рассеяния.

Под характеристиками излучения понимаются спектральные и интегральные плотности потоков энергии излучения и степень черноты.

Объект исследования: гетерогенные продукты сгорания различных энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей.

В работе поставлены следующие задачи:

1. Вследствие обзора методов определения радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания в энергетических установках выявить недостатки в расчетах теплового излучения в опубликованной литературе;

2. Организовать технологию и создать методику вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания различных энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей;

3. На основании обзора методов решения интегро-дифференциального уравнения переноса энергии излучения обосновать выбор метода для условий энергетических установок;

4. Провести комплексные вычислительные эксперименты по исследованию спектральных и интегральных радиационных характеристик, плотностей потока и степеней черноты для различных энергетических установок. Дать анализ результатов вычислительных экспериментов;

5. Выполнить сравнение результатов вычислительных экспериментов по комплексному исследованию характеристик излучения с литературными расчетными и экспериментальными данными.

Встает вопрос об актуальности поставленных целей и задач:

Отходы и выбросы энергетических установок необходимо нейтрализовать в котлах-утилизаторах, т.к. часть отходов и выбросов осаждается в газоходах и топках котлов, что приводит к быстрому износу деталей и механизмов установок, а часть выбрасывается в атмосферу, оказывая негативное экологическое воздействие на окружающую среду и на экологию в целом. С развитием и изменением промышленного производства меняются

энергетические установки, появляются новые установки в теплоэнергетике и в аппаратах химических технологий, следовательно, меняются и продукты сгорания; отходы и выбросы этих установок имеют разный химический состав и разного рода частицы. В связи с этим необходим точный расчет теплообмена внутри действующих энергетических установок. Поэтому необходимо тщательно изучать различные характеристики продуктов сгорания энергетических установок.

Выводы по главе 1

1. Проведенный обзор публикаций по теоретическим исследованиям теплового излучения и по исследованию радиационных характеристик частиц в энергетических установках позволил выявить ряд недостатков в расчетах теплового излучения. К основным недостаткам работ можно отнести то, что во многих работах отсутствуют размерности, используется серое приближение, не указаны исходные данные, что приводит к тому, что невозможно воспроизвести экспериментальные результаты. Также во многих работах не учитываются различные факторы, влияющие на тепловое излучение, неравновесности, спектральные особенности излучения и оптические свойства газовой фазы и т.п.

2. Сформулирована цель работы: создание методики комплексного исследования радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания в различных энергетических установках методом вычислительного эксперимента. Обозначены объекты исследования: гетерогенные продукты сгорания энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей. Описаны основные задачи настоящей работы.

3. Обоснована актуальность поставленных целей и задач.

2 ОБЗОР МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ИНТЕГРО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ ПЕРЕНОСА ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЕМ В ПОГЛОЩАЮЩЕЙ И РАССЕИВАЮЩЕЙ СРЕДАХ

2Л Интегро-дифференциальное уравнение переноса энергии излучения

Интегро-дифференциальное уравнение переноса энергии излучения является одним из основных уравнений теории теплового излучения. При сгорании различных топлив в энергетических установках, образуются гетерогенные продукты сгорания (ГПС), которые состоят из газовой фазы и частиц конденсированной фазы. Близкая к однородной смесь газовой фазы может поглощать проходящее тепловое излучение, а частицы конденсированной фазы - поглощать и рассеивать. Процесс рассеяния теплового излучения на частицах представляет собой процесс перераспределения энергии излучения по направлениям.

Уравнение переноса энергии излучения описывает изменение интенсивности излучения при прохождении его через поглощающую, рассеивающую и излучающую среду. Если рассматривать физический смысл, то это уравнение сохранения энергии излучения.

Для малого объема поглощающей, рассеивающей и излучающей среды уравнение переноса энергии излучения в стационарном случае имеет вид:

' А л

(т)1(г,п)+кя1(г,п) = Рл I 1\г

4 п

где - направление;

г - радиус частиц, мкм;

I

г,г ,00

йсо

2

I- интенсивность энергии излучения, Вт/(см -мкм'ср); а - коэффициент поглощения излучения единичным объемом, 1/мм; /? - коэффициент рассеяния излучения единичным объемом, 1/мм;

коэффициент ослабления излучения единичным объемом, 1/мм; у - индикатриса рассеяния;

со- телесный угол, ср;

индексы: Л - спектральный;' - рассеяние назад.

Для решения данного уравнения существует большое количество различных методов, например, метод дискретных ординат, двухпотоковое приближение, метод Монте-Карло, метод сферических гармоник. Для каждой конкретной задачи необходимо тщательно выбирать тот или иной метод. Выбранный метод должен обладать простотой и достаточной точностью. Как правило, несмотря на исключительно быстрые темпы наращивания возможностей электронно-вычислительной техники, требуется введение тех или иных упрощающих предположений.

2.2 Метод дискретных ординат

Во многих задачах удобно использовать непосредственное численное интегрирование кинетического уравнения. Такой метод решения получил название метода дискретных ординат. Этот метод предложен С. Чандрасекаром. Сущность метода дискретных ординат — МДО -метод, или метод Чандрасекара) — заключается в представлении интегрального члена уравнения переноса гауссовой квадратурой [2, 23, 38, 41, 45, 82, 83, 100, 107, 121, 133, 136]. Угловая плотность потока излучения аппроксимируется функцией, определенной в дискретных узлах угловой переменной. Выбор узлов зависит от формулы численного интегрирования, используемой при вычислении интеграла рассеяния в кинетическом уравнении. Наибольшая точность квадратурной формулы Гаусса при ограниченном числе разбиений интегрируемого интервала получается тогда, когда в качестве узлов выбираются нули полиномов Лежандра четной степени. В М-приближении исходное уравнение заменяется системой линейных дифференциальных уравнений порядка 2К

Основная идея МДО состоит в том, то поле излучения на 2к потоков в направлении ^ (/ = ±1,±2,...,±к) и ¿и, = -//,. (рис. 2.1).

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Кутергина, Наталья Алексеевна

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1. Организована технология и создана методика вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания различных промышленных и энергетических установок, высокоэнергетических установок, дизелей и газодизелей;

2. Методом вычислительного эксперимента проведены исследования радиационных характеристик и характеристик излучения продуктов сгорания для восьми энерготехнологических агрегатов, ракетных двигателей, дизелей и газодизелей при разных режимах работы установок (изменялась температура, давление, спектральный диапазон длин волн, толщина слоя и т.п.);

3. Проведенные исследования позволяют судить о влиянии определяющих факторов и параметров на характеристики излучения газовой и конденсированной сред в различных участках спектра. Присутствие газовой фазы в продуктах сгорания энергетических установок приводит к селективности излучения, вследствие чего неоправданно использование серого приближения в расчетах теплового излучения. Снижение токсичности продуктов сгорания в газодизеле приводит к понижению содержания сажи и уменьшению доли лучистого теплообмена до 4 раз, что ведет к уменьшению теплонапряженности двигателя и меньшему износу цилиндро-поршневой группы;

4. Показана универсальность методики вычислительного эксперимента по исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания различных энергетических установок;

5. Проведено сравнение результатов вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания в различных энергетических установках с литературными расчетными и экспериментальными данными:

- Для энергетических установок для золы кузнецкого угля максимальная относительная погрешность составляет 6% при длине волны X - 3,4 мкм. Относительная погрешность вычислений для котла-утилизатора КС-450-ВТКУ составляет 5% для температуры 1240 К при длине волны X = 2,5 мкм и 7% для температуры 1030 К длине волны X = 3,0 мкм.

- Для высокоэнергетических установок зависимости коэффициентов ослабления и поглощения, спектральной плотности потока и спектральной степени черноты от длины волны имеют одинаковый характер, относительная погрешность вычислений составляет до 2%.

- Для двигателя 6 УБ 48/42 качественные зависимости характеристик излучения практически совпадают, отличаются количественными значениям.

Анализ результатов вычислительного эксперимента по комплексному исследованию радиационных характеристик и характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания в различных энергетических установках позволяет определить влияние определяющих параметров на микро- и макроуровни с целью прогнозирования и планирования физического эксперимента, исследовать зависимости характеристик излучения и радиационных характеристик продуктов сгорания от длины волны, температуры, состава продуктов сгорания, массовой доли конденсата, размеров и оптических свойств частиц, температурной и скоростной неравновесности частиц и газовой фазы.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кутергина, Наталья Алексеевна, 2011 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамзон М.Н., Лисин Ф.Н. Радиационные свойства потока взвешенных частиц медной сульфидной шихты в металлургических печах // Промышленная теплотехника. - 1985. - Т. 7. - №2. - С. 33 - 37.

2. Адзерихо К.С., Ноготов Е.Ф., Трофимов В.П. Радиационный теплообмен в двухфазных средах. - Минск: Наука и техника, 1987. - 166 с.

3. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Черенков A.C. Основы теории физико-химических процессов в тепловых двигателях и энергетических установках: Учебное пособие для вузов - М.: Химия, 2000 - 520 с: ил.

4. Аляев В.А., Панфилович. К.Б. Радиационно-кондуктивный теплообмен в полупрозрачных органических жидкостях. - Казань: Изд-во Казан, ун-та, 2003. - 195 с.

5. Бартеньев О.В. Современный фортран. - 3-е изд., доп. и перераб. - М.: ДИАЛОГ - МИФИ, 2000. - 449 с.

6. Бартеньев, О.В. Фортран для профессионалов. Математическая библиотека IMSL [Текст]: / Бартеньев О.В. 4.1. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000. -448 с.

7. Бахир Л.П., Левашенко Г.И., Таманович В.В. Влияние дисперсного состава капель AI2O3 в пламенах на их коэффициенты поглощения и рассеяния // Физика горения и взрыва, 1976. - №3. - С. 398-405.

8. Бахир Л.П., Таманович В.В. ЖПС, 1973, т. 18, - С. 894-902

9. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. М. - Л.: Энергоиздат, 1962.-331 с.

10. Блох А.Г. Тепловое излучение в котельных установках. - Л.:Энергия, 1967.-326 с.

11. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. - Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 240 с.

12. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением. Справочник.. - М. : Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.

13. Блох А.Г., Адзерихо К.С., Трофимов В.П. Коэффициент тепловой эффективности экранов в топках парогенераторов // Инженерно-физический журнал, 1981. - Т. 40. - №5. - С. 854 - 863.

14. Блох А.Г., Клабуков В.Я., Кузьмин В.А. Радиационные характеристики полидисперсных систем сферических частиц. Горький: Волго-Вят. кн. изд-во, 1976. - 112 с.

15. Бояринцев Ю.Е., Узнадзе О.П. О сходимости метода расщепления системы сферических гармоник // Вычислительные методы в теории переноса. - М.: Атомиздат, 1969. - С. 74-81.

16. Бояринцев Ю.Е., Узнадзе О.П. Об одном способе решения нестационарного уравнения переноса // Журн. Вычислительной математики и математической физики, 1967. - Т. 7, №6. - С. 1406-1413.

17. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. -М: Изд. Иностр. Лит., 1961. -320 с.

18. Вейнберг А., Вигнер Е. Физическая теория ядерных реакторов. - М.: Изд-во иностр. лит., 1961.

19. Влияние размеров частиц конденсированной фазы на радиационные характеристики поглощающей и рассеивающей среды / В.Е. Алемасов, В.Я. Клабуков, В.А. Кузьмин, Е.И. Маратканова // Тр. Казан, авиационного института. - Казань: КАИ, 1973. - вып. 153. - С. 49-53.

20. Галяутдинов А.Р. Использование излучательной способности материалов, применяемых в энерготехнологических агрегатах: Автореф. Дис. На соиск. уч. степ. Канд. Техн. наук. Галяутдинов А.Р. Казан. Гос. энерг. Ун-т, Казань, 2002, 16 е., ил., Табл. Библ. 7.

21. Гильфанов Р.Г. Экспериментальное исследование эмиссионных свойств твердых дисперсных фаз в аэродинамическом потоке энерготехнологических агрегатов: Дисс. ... канд. техн. наук. - Казань, 2008. -131 с.

22. Двойнишников В.А. Конструкция и расчет котлов и котельных установок: Учебник для техникумов по специальности «Котлостроение» / В.А. Двойнишников, JI.B. Деев, М.А. Изюмов. -М: Машиностроение, 1988.-264 с.

23. Девисон Б. Теория переноса нейтронов. -М.: Атомиздат, 1960. - 520 с.

24. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. - М.: Мир, 1971. - 165 с.

25. Доббинс, Крокко, Гласмен. Измерение средних размеров частиц струй по дифракционному рассеянию света // Ракетная техника и космонавтика, 1963. - №8. - С. 157-162.

26. Домбровский J1.A. Расчет радиационного теплообмена в плоскопараллельном слое поглощающей и рассеивающей среды // Изв. АН СССР Мех. жидкости и газа, 1972. - №2. - С. 165-169.

27. Домбровский JI.A., Ивенских H.H. Излучение однородного плоскопараллельного слоя сферических частиц //Теплофиз. высок, температур, 1973. - Т. 11. №4. - С. 818-822.

28. Домбровский Л.А. Радиационное равновесие при теплообмене в плоском слое поглощающей и рассеивающей среды // Изв. АН СССР Мех. жидкости и газа, 1974. - №4. - С. 183-186.

29. Домбровский JI.A. Излучение плоскопараллельного слоя из полых сферических частиц окиси алюминия // Теплофиз. высок, температур, 1974. - Т. 12. №6. - С. 1316-1318.

30. Ермаков С.М. Метод Монте-Карло и смежные вопросы. Теория вероятности и математическая статистика. - М.: Наука, 1971. - 327 с.

31. Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Курс статистического моделирования. -М.: Наука, 1976.-320 с.

32. Задворный А.Г., Журавлев Ю.А., Мечев В.В. О влиянии химико-минерального состава окисных систем на их радиационные свойства // Теплофизика высоких температур. - 1982. - Т. 20. - № 3. - С. 457 - 463.

33. Зайцев В.А., Горбатенко И.В., Таймаров М.А. Излучательная способность сталей и сплавов в диапазоне спектра 2-13 мкм // Инженерно-физический журнал. - 1986. - Т. 50. - N 4. - С. 620 -625.

34. Зах Р.Г. Котельные установки. М.: Энергия, 1968. - 352 е.: ил.

35.3игель JL, Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. -М.: Мир, 1975. -934 с.

36. Излучательная свойства твердых материалов. Справочник / Под общ. ред. А. Е. Шейндлина. - М.: Энергия, 1974. - 472 с.

37. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учеб. пособие для вузов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 592 с.

38. Каменщиков В.А., Пластинин Ю.А., Николаев В.М., Новицкий Л.А. Радиационные свойства газов при высоких температурах. М.: Машиностроение, 1971.-440 с.

39. Карасина Э.С. Антонов А.Ю., Абрютин A.A. Коэффициент поглощения лучей пылевоздушным потоком. // Теплоэнергетика. - 1987.- №1. -С.25-30.

40. Катцан, Г. Язык ФОРТРАН 77 [Текст]: учеб./ Пер. с англ. Н.И. Вьюковой, А.О. Лациса под ред. Ю.М. Баяковского - М.: Мир, 1982. - 208 с.

41. Кейз К., Цвайфель П. Линейная теория переноса. - М.: Мир, 1972. -

384 с.

42. Клевчишин В.А., Пикашов B.C., Еринов А.Е. Излучательная способность сталей и сплавов при нагреве в контролируемых атмосферах / В сб.: Расчет, конструирование и применение радиационных труб в промышленности. - Киев, Наукова думка, 1977. - С. 123 - 127.

43. Ключников А.Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучением в огнетехнических установках. - М.: Энергия, 1970. - 400 с.

44. Кэмпбелл И. Э. Техника высоких температур. - М.: Издательство иностранной литературы, 1959.- 596 с.

45. Кузьмин В.А., Лиханов В.А. Рост, коагуляция и агрегация сажевых частиц в цилиндре газодизеля // Совершенствование технологий и технических

средств в сельскохозяйственном производстве. - Киров: ВГСХА, 1999. - С. 6768.

46. Кузьмин В.А., Маратканова Е.И. Математическое моделирование процессов теплового излучения в энергетических установках // Матер. Междунар. симпозиума «Математическое моделирование процессов тепломассообмена и термопрочности». С. Петербург: ИТМО, 1993. - С. 28-29.

47. Кузьмин В.А., Маратканова Е.И. Радиационные характеристики гетерогенных продуктов сгорания // Тепловые процессы в двигателях и энергоустановках летательных аппаратов: Межвуз. сб. - Казань: КАИ, 1985. -С. 71-76.

48. Кузьмин В.А., Маратканова Е.И. Комплексная программа расчета характеристик излучения гетерогенных продуктов сгорания // Совершенствование теории и техники тепловой защиты энергетических устройств: Тез. докл. Республ. конф. 26-28 мая 1987 г. Киев, 1987. - С. 69-70.

49. Кузьмин В.А., Маратканова Е.И. К вопросу о повышении эффективности работы энергоустановок за счет корректного учета лучистого теплообмена // Повышение эффективности работы энергосистем: Тез. докл. научно-технич. конф. - Киров, 1987. -С. 33-34.

50. Кузьмин В.А., Даутов Э.А., Маратканова Е.И. Номограммы радиационных характеристик частиц конденсированной фазы гетерогенных продуктов сгорания // Тепловые процессы в двигателях и энергоустановках летательных аппаратов: Межвуз. сб. - Казань: КАИ, 1988. - С. 10-14.

51. Кузьмин В.А., Маратканова Е.И. Результаты комплексного численного моделирования теплового излучения дисперсных систем // Тепловые процессы в двигателях и энергоустановках летательных аппаратов: Межвуз. сб. - Казань: КАИ, 1990. - С. 12-17.

52. Кузьмин В.А., Маратканова Е.И. Математическое моделирование процесса теплового излучения высокотемпературных энергетических установок // Тепломассообмен-ММФ-92. II Минский Международный форум. - Минск,

1992. - Т. IX. Вычислительный эксперимент в задачах тепломассообмена и теплопередачи. Часть 2. - С. 104-110.

53. Кузьмин В.А., Маратканова Е.И., Бельтюгов A.A. Представление оптических свойств продуктов сгорания теплоэнергетических установок // Сб. «Мат. научной сессии». - Кировский филиал РАЕ, Кировское областное отделение РАЕН. - Киров, 2004. - С. 315-317.

54. Кузьмин В.А., Маратканова Е.И., Бельтюгов A.A. Методология вычислительного эксперимента по исследованию теплового излучения дисперсных систем высокоэнергетических установок // Мат. докладов III Российского национального симпозиума по энергетике. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2001. - Т. 1. - С. 369-372.

55. Кузьмин В.А., Лиханов В.А., Маратканова Е.И. Методика расчета характеристик теплового излучения в камере сгорания газодизеля // Региональн. науч. - техн. конф. Наука-производство-технология-экология: Сб. материалов. - Киров, 1997, - Т. 2. - С. 135-136.

56. Кузьмин В.А. Тепловое излучение в двигателях и энергетических установках. - Киров: ООО «Фирма «Полекс», 2004. - 231 с.

57. Литовский Е.Я., Пучкелевич H.A. Теплофизические свойства огнеупоров: Справочник.-М.: Металлургия, 1982.-150с.

58. Лиханов В.А. Природный газ как моторное топливо для тракторных дизелей. - Коров, Вятская ГСХА, 2002. - 280 с.

59. Лиханов В.А., Мохнаткин В.Г., Россохин A.B. Исследование процессов образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе: Монография. - Киров: Вятская ГСХА, 2006. - 124 с.

60. Марчук Г.И. Методы расчета ядерных реакторов. - М.: Госатомиздат, 1961.-668 с.

61. Марчук Г.И. Численные методы в прогнозе погоды. - Л.: Метеоиздат, 1967.-356 с.

62. Марчук Г.И., Николайшвили Ш.С. и др. Применение метода сферических гармоник к задачам теории переноса, Р2 - приближение // Теория и методы расчета ядерных реакторов. - М.: Госатомиздат, 1962. - №14. - С. 2549.

63. Марчук Г.И., Николайшвили Ш.С. и др. Применение метода сферических гармоник к задачам теории переноса. Общие свойства Рп -приближения // Теория и методы расчета ядерных реакторов. - М.: Госатомиздат, 1962. - С. 5-24.

64. Марчук Г.И., Султангазин У.М. К обоснованию метода расщепления для уравнения переноса излучения // Журн. вычислительной математики и математической физики, 1965. - Т. 5, №5. - С.852-863.

65. Марчук Г.И., Султангазин У.М. О сходимости метода расщепления для уравнения переноса излучения // Докл. АН СССР, 1965. - Т. 161, №1. - С. 1153-1156.

66. Марчук Г.И., Султангазин У.М. К вопросу о решении кинетического уравнения методом расщепления // Докл. АН СССР, 1965. - Т. 163, №4. - С. 871-875.

67. Марчук Г.И., Пененко В.В., Султангазин У.М. О решении кинетического уравнения методом расщепления // Некоторые вопросы вычислительной и прикладной математики. - Новосибирск: Наука, 1966. - С. 152-182.

68. Марчук Г.И., Яненко H.H. Решение многомерного кинетического уравнения методом расщепления // Докл. АН СССР, 1964. - Т. 157, №6. - С. 1291-1292.

69. Марчук Г.И., Яненко H.H. Применение метода расщепления дробных шагов для решения задач математической физики // Некоторые вопросы вычислительной и прикладной математики. - Новосибирск: Наука, 1966. - С. 522.

70. Метод Монте-Карло в проблеме переноса излучения. Под ред. Г.И. Марчука. - М.: Атомиздат, 1967. - 256 с.

71. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике Под общ. ред. Г.И. Марчука. - Новосибирск: Наука, 1976. - 286 с.

72. Митор В.В. Теплообмен в топках паровых котлов. - М.-.Л.: Машгиз, 1963.- 180 с.

73. Митор В.В., Конопелько И.Н. Исследование структуры излучения топочных камер паровых котлов / Материалы 5 Всесоюзной конференции по тепломассообмену. - Минск, 1976. - Т. 8. - С. 310 - 316.

74. Мишин В.П., Пугач В.В., Таймаров М.А., Русев К.А., Тухватуллин С.Г. Коэффициент излучения жаропрочного сплава Х22Н32Т // Промышленная теплотехника. - 1985. - Т.7. -№4. -С. 68-71.

75. Модзалевская М.Л. Расчет излучения потока частиц золовой пыли в паровых котлах // Теплоэнергетика. - 1983. - N8. - С.45-47.

76. Модзалевская М.Л., Погребняк А.П., Вальдман A.M., Романов B.C. К расчёту теплообмена в котлах-утилизаторах // Теплоэнергетика. - 1987. - №1. -С. 30-34.

77. Назмеев Ю. Г. Теплообменные аппараты ТЭС: учебное пособие для вузов /Ю. Г. Назмеев, В. М. Лавыгин. -М.: Энергоатомиздат, 1998. -288 с.

78. Невский А.С. Лучистый теплообмен в печах и топках. - М.: Металлургия, 1971. - 440 с.

79. Нельсон Г.Ф. Оценка неопределенности расчета ИК - излучения факела ракеты // Аэрокосмическая техника, 1988. - №10. - С.161-168.

80. Николайшвили Ш.С. О решении односкоростного уравнения переноса с использованием приближения Ивона-Мертенса // Атомная энергия, 1966. - Т. 20.-Вып. 4.-С. 344-347.

81. Николайшвили Ш.С., Поливанский В.П. Метод двойных Рп -приближений для решения одномерных задач переноса // Вопр. физики защиты реакторов / Под ред. Д.Л. Бродера и др. - М.: Атомиздат, 1972. - Вып. 5. - С. 64-73.

82. Орлов В.В., Суворов А.П. Современное состояние методов расчета радиацонной защиты реакторов // Вопр. физики защиты реакторов / Под ред. Д.Л. Бродера и др. - М.: Атомиздат, 1972. - Вып. 5. - С. 7-21.

83. Оцисик М.Н. Сложный теплообмен: Пер. С англ. Под ред. H.A. Анфимова. - М.: Мир, 1976. - 616 с.

84. Панфилович К.Б. Тепловое излучение и поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов: Монография / К.Б. Панфилович. - Казань: Изд-во Казанского гос. Технологического ун-та, 2009. - 256 с.

85. Попов Ю.А. Излучение сернистого ангидрида // Инженерно-физический журнал. - 1976. - Т. 30. - №1. - С.58-62.

86. Попов Ю.А. Лучистый теплообмен в газопылевых средах. Канд. дисс. Свердловск, 1968. -156 с.

87. Попов Ю.А., Половников В.И. Комплексный показатель a-Fe203 в ближней инфракрасной области спектра // Журнал прикладной спектроскопии. - 1980. - Т. 32. - Вып. 1. - С.164-165.

88. Попов Ю.А. Тепловое излучение двухатомных газов / В кн. Материалы 5-й Всесоюзной конференции по тепломассообмену. Минск, 1976. -Т. 8.-С. 252-256.

89. Попов Ю.А. К расчету инфракрасного излучения рассеивающей газопылевой среды // Теплофиз. высок, температур, 1984. - Т. 22, №1. - С. 9698.

90. Попова С.И., Толстых Т.С., Ивлев Л.С. Оптические постоянные Fe203 в инфракрасной области спектра // Оптика и спектроскопия. - 1973. - Т. 35. -Вып. 5. - С. 954-955.

91. Пришивалко А.П., Науменко Е.К. Рассеяние света сферическими частицами и полидисперсными средами. Часть I. Показатели ослабления и рассеяния // Препр. ИФ АН БССР. - Минск, 1972. - 73 с.

92. Пришивалко А.П., Науменко Е.К. Рассеяние света сферическими частицами и полидисперсными средами. Часть II. Угловые и интегральные характеристики рассеянного света //Препр. ИФ АН БССР. -Минск, 1972. - 78 с.

93. Резников М. И., Липов Ю. М. Паровые котлы тепловых электростанций. М.: Энергоиздат, 1981.

94. Ру, Смит, Тодд. Перенос излучения в анизотропно рассеивающей среде в случае плоской геометрии и произвольного профиля температуры // Ракетная техника и космонавтика, 1975. - Т. 13, №9. - С. 86-94.

95. Румянцев Г.Я. Граничные условия в методе сферических гармоник // Атомная энергия, 1961. - Т. 10- Вып. 1. - С. 26-34.

96. Рыжкова Т. П., Рыжков Л. Н. Приложение теории дифракции к переносу теплового излучения // Промышленная теплотехника. - 1983.-Т.5. - № 4.-С. 26-45.

97. Рубцов H.A. Теплообмен излучением в сплошных средах. -Новосибирск: Наука, 1984 - 277 с.

98. Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки промышленных предприятий: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 528 с.

99. Смелов В.В. Лекции по теории переноса нейтронов. - М.: Атомиздат, 1972.- 173 с.

100. Соболев В.В. Курс теоретической астрофизики. - 2-е изд. - М.: Наука, 1975. - 503 с.

101. Спанье Дж., Тельбард Э. метод Монте-Карло и задачи переноса нейтронов. - М.: Атомиздат, 1972. - 271 с.

102. Спэрроу Э.М., Сэсс Р.Д. Теплообмен излучением. - Л.: Энергия, 1971.-294 с.

103. CT СЭВ 621-83. Горелки газовые промышленные. Методы испытаний.

104. Стеценко В.Я. Об одном методе ускорения сходимости итерационных процессов // Докл. АН СССР. Сер. матем. и физика, 1968. - Т. 178, №5.-С. 1021-1024.

105. Суржиков С.Т. Вычислительные модели радиационных и газодинамических процессов в низкотемпературной плазме: Автореф. дис. ... д-ра физ.-мат. наук. -М., 1990. - 34 с.

106. Суржиков С.Т. Оптические свойства газов и плазмы. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 576 с.

107. Суржиков С.Т. Тепловое излучение газов и плазмы. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 577 с.

108. Таймаров М.А. и др. Спектральные радиационные характеристики запыленного газового потока при обжиге серного колчедана // В сб. Тепло- и массообмен в химической технологии. Казань, 1977. - Вып. 5. - С. 54.

109. Таймаров М.А., Гарифуллин Ф.А., Давлетбаева Д. 3., Зайцев В.А., Горбатенко И.В. Установка для исследования излучательной способности материалов при высоких температурах // Измерительная техника. -1986. - №5. -С. 28 - 29.

110. Таймаров М. А., Гарифуллин Ф. А., Степанов И.Е. Исследование эмиссионных свойств газопылевого потока, протекающего в котле-утилизаторе // Изв. Вузов. Энергетика. - 1989. - № 4. - С. 82 - 86.

111. Таймаров М.А., Сагадеев В.И., Зигмунд Ф.Ф., Мнускин М.Г., Кочеров М.М. Исследование теплового излучения газового потока при обжиге серы // Изв. вузов. Энергетика. - 1977. - № 11. - С.145-150.

112. Таймаров М.А., Сагадеев В.И., Абдрахманов И. М., Кочеров М. М. Спектральные радиационные характеристики запылённого газового потока при обжиге серного колчедана. Межвузовский сборник «Тепломассообмен в химической технологии». Казань: КХТИ, 1977 г., с. 54-57.

113. Таймаров М.А., Степанов И.Е. Оптические константы твердой дисперсной фазы рабочих сред котлов КС-450-ВТКУ и БКЗ-210-140Ф // Изв. Вузов. Энергетика. - 1989. № 7. - С. 78 - 81.

114. Таймаров М.А. Поглощательная способность пылей в котлах медеплавильных и никелевых производств // Инженерно-физический журнал. -1987. - Т. .52. - №4. - С.691-692.

115. Таймаров М.А. Оптические постоянные вещества частиц конверторной пыли // Инженерно-физический журнал. - 1998. - Т. 71. - № 6. -С. 1056-1058.

116. Таймаров М.А. Исследование излучательной способности конструкционных материалов и пылегазовых сред применительно к расчету теплообмена в котлах-утилизаторах: Дисс. ... докт. техн. наук. - Казань, 1997. -347 с.

117. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод./ Под ред. Н.В.Кузнецова и др. - М.: Энергия, 1973. - 296 с.

118. Узнадзе О.П. Метод расщепления системы сферических гармоник // Тр. трехстороннего Сов. - Бельг. - Голландск. Симпозиума по некоторым проблемам физики быстрых реакторов, 1970, Т.1. - М., 1970. - Д-4. - С. 1-18.

119. Фортран 90. международный стандарт [Текст]: учеб./ Пер. с англ. С.Г. Дробышевич под ред. A.M. Горелика - М.: Финансы и статистика, 1998. -379 с.

120. Хауэлл, Перлмуттер. Применение метода Монте-Карло для расчета лучистого теплообмена в излучающей среде, заключенной между серыми стенками // Теплопередача, 1964. - №1. - С. 148-156.

121. Чандрасекар С. Перенос лучистой энергии. - М.: ПЛ., 1953. - 431 с.

122. Шигапов А.Б. Определение концентрации и размеров частиц дисперсной фазы //Вестник Казанского филиала МЭИ. 1996.

123. Шигапов А.Б., Шашкин A.B., Усков Д.А., Бускин Р.В. Математическое и информационное обеспечение программного комплекса расчета переноса энергии излучения // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики, 2005, №1-2. - Казань, КГЭУ. - С. 81-86.

124. Шигапов А.Б., Шашкин A.B., Усков Д.А. Параметрическое исследование радиационного теплообмена в топках энергетических котлов методом характеристик // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики, 2006, №5-6. -Казань, КГЭУ.-С. 11-19.

125. Шигапов А.Б., Шашкин А.В., Усков Д.А., Бускин Р.В. Радиационные свойства топочных газов при сжигании природного газа // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики, 2005, №5-6. - Казань, КГЭУ. - С. 1115.

126. Шигапов А.Б., Ширманов М.В., Якупов А.А. Радиационные свойства дисперсной фазы топочных газов // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики, 2005, №1-2. - Казань, КГЭУ. - С. 32-36.

127. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. -М. -JL: Гостехиздат, 1951. -288 с.

128. Экспериментально-теоретическое исследование теплообмена излучением в высокотемпературных энергетических установках / В.Я. Клабуков, JI.T. Гребенщиков, В.А. Кузьмин и др. // Тепломассообмен-VI. Тепломассообмен в энергетических процессах и системах. - Минск, 1980. -Т.8.-С. 49-55.

129. Яненко Н.Н. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. - Новосибирск: Наука, 1967. - 298 с.

130. Chu С. Cherchill S.W. Representation of the Angular Distribution of Radiation Scattered by Spherical Particle // J. Opt. Soc. of America, 1955. - V.45, N 11.-P. 612-617.

131. Dombrovsky L. A. Radiation Heat Transfer in Diperse Systems. Begell House. Inc., publishers, 1996. - 256 p.

132. Federighi F. D. Vacuum Boundary Conditions for Spherical Harmonics Methods // Nucleonics, 1964. - N 6. - P. 277-285.

133. Fiveland W.A. Disdrete-Ordinate Methods for Rediative Heat Transfer in Isotropically and Anisotropically Scattering Media // J. of Heat Transfer, 1987. V. 109.-P. 809-812.

134. Fleck J.A., Cummings Jr. and J.D. An implicit Monte-Carlo scheme for calculating time and frequency dependent non-linear radiation transport // J. of ComputPhys., 1971. V. 8. -P. 313-342.

135. Jeans J. H. The Equations of Radiative Transfer of Energy // Monthly Notices Roy. Astron. Soc., 1917.-78, P. 28-36.

136. Kourganoff V., Basic Methods in Transfer Problems // Dover Publications, New York, 1963.

137. Marshak R.E. Note on the Spherical Harmonics Method as Applied to the Milne problem for a Spherical Harmonics Method // phys. Rev., 1947. V. 71. -P. 443-446.

138. Mie G. Beitrage zur Optik trueber Medien speziell kolloidater Metallosungen // Ann. d Phys., vierte Folge, 1908. - Bd. 25.

139. Selcuk N., Siddall R.G. Two-Flux Spherical Harmonie Modelling of Two-Dimentional Radiative Transfer in Furnaces // Int. J. Heat Mass Transfer, 1976. -V.19.-P. 313-321.

140. Schuster A. Radiation Through a Foggy Atmosphere // Astrophys. J., 1905.-N21.-P. 1-22.

141. Schwarzchild K. Uber das Gleichgewicht der Sonneatmosphere // Akad. Wiss. Goettingen, Math.-Phys. Kl. Nachr., 1906. -N 1. -Bd. 41-53.

142. Surzhikov S.T. Direct Simulation Monte-Carlo Algorithms for the Rocket Exhaust Plumes Emissivity Prediction // AIAA Paper 2002-0795. 2002 (b). lip.

143. Surzhikov S.T. Monte-Carlo Simulation of Plumes Spectral Emission // AIAA Paper 2003-3895. 2003. 11 p.

144. Surzhikov S.T. Prediction of 3D Rocket Exhaust Plume Signatures by the Monte-Carlo Method // AIAA Paper 04-1354. 2004 (b). 24 p.

145. Viskanta R. Radiation Transfer and Interaction of Convection with Radiation Heat Transfer, in «Advances in Heat Transfer», T. F. Irvine, Hartnett J. P. (eds.). - Vol. 3. Academic Press, New York, 1966. - P. 175-251.

146. Кутергина H.A. Моделирование теплового излучения и радиационных характеристик дисперсных систем и гетерогенных продуктов сгорания энергетических установок // Сборник тезисов, материалы Четырнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и

молодых ученых (ВНКСФ-14): материалы конференции, тезисы докладов: В 1 т. Т.1. - Екатеринбург - Уфа, издательство АСФ России, 2008 - С. 554-555.

147. Кутергина H.A. Адаптация программ «SPEKTR» и «CARBON» в условиях нового математического обеспечения. Соответствие элементов базового фортрана его новым версиям / Кутергина H.A., Маратканова Е.И., Кузьмин В.А. // ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «Наука - производство - технологии - экология»: Сборник материалов: В 7 т. Т.З. ЭТФ/ Киров: Изд-во ВятГУ, 2008 - С. 185-186.

148. Кутергина H.A. Современное состояние теории теплового излучения и численного моделирования радиационных характеристик // ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «Наука -производство - технологии - экология»: Сборник материалов: В 7 т. Т.7. ГФ/ Киров: Изд-во ВятГУ, 2008 - С. 347-348.

149. Kutergina N. DER MODERNE ZUSTAND DER THEORIE DER THERMISCHEN AUSSTRAHLUNG UND DER MATHEMATISCHEN MODELLIERUNG DER STRAHLUNGSCHARAKTERISTIKEN // ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «Наука -производство - технологии - экология»: Сборник материалов: В 7 т. Т.7. ГФ/ Киров: Изд-во ВятГУ, 2008 - С. 349-350.

150. Кутергина H.A. Моделирование характеристик излучения и радиационных характеристик дисперсных систем энергетических установок // Сборник тезисов, материалы Пятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15): материалы конференции, тезисы докладов: В 1 т. Т.1. - Екатеринбург - Кемерово, издательство АСФ России, 2009 - С. 663-664.

151. Кутергина H.A. Характеристики излучения дисперсных систем и гетерогенных продуктов сгорания энергетических установок / Кутергина H.A., Кузьмин В.А. // ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «Наука - производство - технологии - экология»: Сборник

материалов: В 3 т. Т.1 (ФАВТ, ФПМТ, ЭТФ) / Киров: Изд-во ВятГУ, 2009 -С.249-252.

152. Кутергина H.A. Численное моделирование характеристик излучения и радиационных характеристик дисперсных систем и гетерогенных продуктов сгорания энергетических установок / Кутергина H.A., Кузьмин В.А. // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы II Международной научно-практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: Сборник научных трудов. - СПб.

- Киров: Российская Академия Транспорта - Вятская ГСХА, 2009. - Вып.7. -С.39-43.

153. Кутергина H.A. Численное моделирование характеристик излучения действующих энергетических установок // Сборник тезисов, материалы Шестнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-16): материалы конференции: В 1 т. - Т.1.

- Екатеринбург; Волгоград: Издательство АСФ России, 2010. - 836с., С. 670671.

154. Кутергина H.A. Вычисление радиационных характеристик и характеристик излучения для некоторых действующих технологических агрегатов / Кутергина H.A., Кузьмин В.А. // ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ОБЩЕСТВО - НАУКА - ИННОВАЦИИ»: Сборник материалов: В 4 т. Т.2 (ФАВТ, ФПМТ, ЭТФ) / Киров: Изд-во ГОУ ВПО «ВятГУ», 2010. - С. 307-310.

155. Кутергина H.A. Расчет характеристик излучения и радиационных характеристик для различных групп частиц энергетических установок / Кутергина H.A., Кузьмин В.А. //Материалы Международной молодежной научной конференции «XVIII Туполевские чтения»: Сборник материалов конференции. Т.2: Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2010 -С. 79-81.

156. Кутергина H.A. Расчет характеристик излучения дисперсных сред в энерготехнологических агрегатах // Материалы Шестой летней межрегиональной школы физиков (ЛМШФ-6): Материалы школы, тезисы

докладов и лекций: В 1 т. - Т. 1. - Екатеринбург: изд-во АСФ России, 2010. - С. 113-116.

157. Кутергина H.A. Расчет характеристик излучения и радиационных характеристик в энерготехнологических агрегатах / Кузьмин В.А., Маратканова Е.И., Кутергина H.A. // Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену: Сборник научных трудов. В 8 томах. Т.6 - М: Изд. дом МЭИ, 2010.-С. 219-222.

158. Кутергина H.A. Характеристики излучения продуктов сгорания промышленных и энергетических установок // Тезисы докладов Одиннадцатой Всероссийской молодежной школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-11) / Екатеринбург: Типогр. «Ур. центр академич. обслуживания», 2010. - С. 192.

159. Кутергина H.A. Характеристики излучения полидисперсного облака частиц энергетических установок // Сборник тезисов, материалы Семнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-17): материалы конференции, тезисы докладов: В 1 т. Т.1. - Екатеринбург: Издательство АСФ России, 2011. - 690 е., С. 676-677.

160. Кутергина H.A. Численное моделирование радиационных характеристик и характеристик излучения энергетических установок / Кутергина H.A., Кузьмин В.А. // Сборник научных трудов Международной молодежной научной конференции «XXXVII Гагаринские чтения». В 8 т.; Т. 5. -М.: МАТИ, 2011. -240 е., С. 107-109.

161. Кутергина H.A. Радиационные характеристики и характеристик излучения моно- и полидисперсных систем частиц энергетических установок / Кутергина H.A., Кузьмин В.А. // Материалы докладов VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. В 4 т.; Т. 2. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2011. - 239 е., С. 216.

162. Кутергина H.A. Вычисление радиационных характеристик и характеристик излучения частиц для установки КС-450-ВТКУ [Электронный

ресурс] / Кузьмин В.А., Маратканова Е.И., Кутергина H.A. // Общество, наука, инновации (НТК-2011): ежегод. открыт, всерос. науч.-технич. конф., 18-29 апр. 2011.: сб. материалов / Вят. гос. ун-т; отв. ред. С.Г. Литвинец. - Киров, 2011. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM) / (Электротехнический факультет. Секция "Физика и теплотехника". Статья № 2).

163. Кутергина H.A. Комплексный расчет характеристик излучения и радиационных характеристик в энергетических установках / Кузьмин В.А., Кутергина H.A. // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2011. №3-4. С. 41-48.

164. Кутергина H.A. Исследование характеристик излучения микродвигателей / Кузьмин В.А., Кутергина H.A. // Сборник материалов XXXI Всероссийской конференции «Наука и технологии»: Сборник материалов конференции. - Миасс: МСНТ, 2011. - 254с., С. 74-76.

Ммретютй филиал Открытого акционерного общества «Территориальная генерирушщан кемшш № 5»

Г

АКТ

Проведенные Кутергиной НА расчеты для различных энергетических установок позволили выявить области наибольшего влияния термо- и газодинамических параметров на характеристики излучения (плотности потоков и степень черноты газовой и конденсированной сред в различных участках спектра) гетерогенных продуктов сгорания. Присутствие газовой фазы приводит к селективности излучения, вследствие чего неоправданно использование серого приближения в расчетах теплового излучения.

Настоящим актом подтверждается использование результатов диссертационной работы Кутергиной НА "Исследование теплового излучения продуктов сгорания энергетических установок методом вычислительного эксперимента" при расчетах теплового излучения в энергетических котельных агрегатах Кировского филиала ТГК-5.

Настоящий акт не шляется финансовым документом и не «сжег быть служил» основание» для оплаты или финансовых расчетов.

Начальник отдела перспективного развития

Исл. АА Пятин, тел. [phone]

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации ФГБОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

Мы, ниже подписавшиеся, заведующий кафедрой двигателей внутреннего сгорания Вятской ГСХА, доктор технических наук, профессор В.А. Лиханов и аспирант кафедры физики ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет» H.A. Кутергина составили настоящий акт о том, что научно-исследовательская работа на тему: «Исследование теплового излучения продуктов сгорания энергетических установок методом вычислительного эксперимента» (исполнитель - H.A. Кутергина, аспирант кафедры физики ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет»), внедрена (использована) в учебном процессе: при чтении лекций, курсовых работах и дипломном проектировании по дисциплинам «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета энергетических установок» и «Автомобильные двигатели» для студентов, обучающихся по специальностям 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования в АП» и 190601 «А втомоби л и и автомобильное хозяйство» на инженерном факультете Вятской ГСХА.

Заведующий кафедрой

АКТ

об использовании (внедрении) научно-исследовательской работы в учебном процессе

двигателей внутреннего сгорания ФГБОУ ВПО «Вятская ГСХА», докт. техн. наук, профессор

Аспирант кафедры физики ФГБОУ ВПО «Вятский ГУ»

H.A. Кутергина

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Межрегионального совета по науке и технологиям на работы В. А. Кузьмина, И.А. Заграй "Оптические и радиационные характеристики частиц в продуктах сгорания модельного двигателя", В.А. Кузьмина, H.A. Кутергиной Исследование характеристик излучения микродвигателей

п

Заслушав и обсудив доклады В.А. Кузьмина, И.А. Заграй, H.A. Кутергиной "Оптические и радиационные характеристики частиц в продуктах сгорания модельного двигателя", "Исследование характеристик излучения микродвигателей" на XXXI Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий (1416 июня 2011 года, г. Миасс), материалы которого опубликованы в сборнике "Наука и технологии" (Миасс: МСНТ, 2011, с. 71-73, с. 74-76), Межрегиональный совет по науке и технологиям принимает следующее Заключение.

1. Проведено исследование оптических и радиационных характеристик частиц в продуктах сгорания модельного ракетного двигателя, позволяющее количественно оценить процессы теплового излучения.

2. Сформулированы исходные данные по оптическим свойствам, дисперсности конденсированной фазы, другим параметрам для использования разработанной методики п. 1 применительно к конкретным энергоустановкам.

3. Выполнен расчет радиационных характеристик единичных частиц и единичного объема, а также характеристик излучения для микродвигателей.

4. В результате анализа данных расчета п. 3 подтверждено, что спектральные распределения имеют сплошной характер при отсутствии газовой фазы, при полидисперсных расчетах флуктуации на сечениях исчезают, а зависимости сечений ослабления и коэффициентов ослабления изменяются монотонно, при повышении температуры максимум излучения смещаются в область коротких длин волн, плотность потока и степень черноты не зависят от оптической толщины слоя при L > 50 мм.

5. Научные результаты, отмеченные в пп. 1, 2 и пп. 3, 4 могут быть признаны в качестве основы для подготовки и последующей защиты диссертаций Заграй Ираиды Александровны и Кутергиной Натальи Алексеевны на соискание ученой степени кандидата наук.

6. Рекомендовать аспирантам И.А. Заграй и H.A. Кутергиной опубликовать научные обзоры по профилю выполняемых диссертаций в серии "Материалы Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий" (М.: РАН, 2011) для передачи в заинтересованные НИИ, КБ и предприятия для практического использования.

Директор МСНТ-

Н.П. Ершов