Тепломассообмен и горение закрученных потоков в задачах механики реагирующих сред и охраны окружающей среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.11, доктор физико-математических наук Матвиенко, Олег Викторович
- Специальность ВАК РФ11.00.11
- Количество страниц 363
Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Матвиенко, Олег Викторович
Введение
1 Аэродинамика, теплообмен и горение в потоке (Обзор работ)
1.1 Математическое моделирование гидрогазодинамики внутренних потоков ,,,.,.,.,.,,,.,,,,,,.
1.2 Теплообмен при течении в каналах.
1.3 Распространение и стабилизация пламени в смеси предварительно перемешанных реагентов.!
3.4 Математическое моделирование гидродинамики внутреннего закрученного потока
2 Гидродинамика, тепломассобмен. химическое реагирование и горение в ламинарных закрученных потоках
2.1 Гидродинамика ламинарного закрученного потока в канале.
2.2 Теплообмен и химическое реагирование в ламинарном закрученном потоке
2.3 Горение в ламинарных закрученных потоках
3 Переход к турбулентности, реламинаризадия и течения с низкими числами Рейиольдса
3.1 Численное исследование перехода к турбулентному режиму течения внутренних'закрученных потоков
3.2 Численное исследование теплообмена при переходе к турбулентному режиму течения внутренних закрученных потоков.
3.3 Численное исследование гидродинамики, теплообмена и условий воспламенения химически реагирующей вязкой жидкости.
3.4 Стабилизация пламени при умеренной закрутке потока
4 Горение в турбулентных закрученных потоках
4.1 Стабилизация пламени и режимы реагирования внутреннего турбулентного потока.
4.2 Турбулентное горение в закрученных потоках.
4.3 Распространение пламени в потоках с изменяемой по времени интенсивностью закрутки.
5 Аэродинамика и горение в вихрекамеряых технологических устройствах
5.1 Математическое моделирование аэродинамики и горения в вихрека-мериых устройствах.
5.2 Рас чет аэродинамики и горения в прямоточной камере сгорания с переменным сечением.
5.3 Влияние геометрических и режимных параметров на стабилизацию пламени вихревой горелки.
5.4 Исследование образования угарного газа и окиси азота в прямоточной камере сгорания с раздельной подачей горючего и окислителя.
5.5 Аэродинамика, и горение в центробежной форсунке.
5.6 Исследование аэродинамики и режимов сжигания газа в нротивоточ ной вихревой камере сгорания.
5.7 Исследование нейтрализации продуктов сгорания твердотопливной двигательной установки на наземном стенде.
8 Гидродинамика и сепарация частиц в гидроциклоне
С.1 Теоретические основы работы гидроциклонов.
6.2 Математическая модель.
6.3 Анализ результатов.
6.4 Исследование применения гидроциклонов для очистки почвы.
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», 11.00.11 шифр ВАК
Математическое моделирование горения внутренних закрученных потоков и формирования огненных смерчей2009 год, кандидат физико-математических наук Руди, Юрий Анатольевич
Научное описание особенностей горения в ограниченных закрученных противоточных течениях и возможность их применения к созданию эффективных устройств сжигания топлива.2013 год, доктор технических наук Гурьянов, Александр Игоревич
Моделирование тепломассообменных и химических процессов в пристенных и струйных течениях2001 год, доктор технических наук Дворников, Николай Алексеевич
Математическое моделирование двухфазных пространственных течений в каналах и камерах сгорания1997 год, доктор физико-математических наук Старченко, Александр Васильевич
Модифицированный метод расчёта горения в вихревых противоточных горелочных устройствах2019 год, кандидат наук Бадерников Артем Витальевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепломассообмен и горение закрученных потоков в задачах механики реагирующих сред и охраны окружающей среды»
Развитие цивилизации за последние сто лет оказало сильное и, главным образом, негативное воздействие на состояние окружающей среды. При этом многие достижения цивилизации, призванные улучшить качество жизни, в реальности обернулись своей нроивоноложностью, Неслучайно поэтому в среде наиболее радикальных представителей экологических движении периодически возникает призыв: ''Назад, к природе",
Утопичность и невозможность осуществления этого призыва очевидна. И выход из создавшейся ситуации необходимо искать не на пути отказа от достижений технической цивилизации, а с помощью внедрения в практику высоких технологий, обеспечивающих защиту окружающей среды.
Одной из основных задач охраны окружающей среды является задача охрана воздуха от экологически вредных и токсичных продуктов сгорания, образующихся при сжигания топлива в различных технологических установках. Решение этой задачи предполагает такую организацию процесса при которой обеспечивается: в высокая полнота сгорания топлива и, как следствие этого, низкое содержание угарного газа СО, высокомнтенсявньш теплообмен в зоне горения и бысчтрое охлаждение продуктов сгорания, что обеспечивает низкое содержание окиси азота И0Я\ пониженный расход топлива при той же мощности горелочного устройства, уменыиаюий эмиссию углекислого газа С02 ■
В этой связи достаточно привлекательным выглядит использование в теплооб-меннмх и горелочных устройствах потоков с закруткой. Об этом свидетельствует появление ряда монографий [1] — [б], а также обзорных работ [7] — [10],посвященных данному вопросу. В теплогенераторах, камерах сгорания и промышленных горелках создают закрутку для стабилизации пламени и увеличения скорости смешения продуктов. В теплообменниках закрученные потоки используются для увеличения интенсивности теплоотдачи. Кроме того, большие перспективы имеет использование закрутки для стабилизации электрической дуги в плазмотронах [11], в вихревых МГД-генераторах [12], химической и других отраслях промышленности.
Однако, в настоящее время возможности инженерных методов расчета, и проектирования тешюобмеиных и горелочных устройств, использующих принцип закрутки потока и обеспечивающих высокие технологические показатели и экологическую на дежность, практически исчерпаны. И для решения этих задач необходимо привлекать методы, основанные на решении уравнений гидрогазодинамики, теории теплообмена и химической кинетики с привлечением результатов и выводов теоретических исследований,
Таким образом, разработке практических рекомендаций по оптимизации работы теплообменник и горелочных устройств должно предшествовать обстоятельное теоретическое исследование структуры течения тепломассообмена, химического реагирования я горения в закрученных потоках.
Сильное влияние закрутки на инертные и реагирующие течения известно достаточно давно. Закрученные течения являются результатом сообщения потоку вращательного движения с помошыо закручивающих лопаток,при использовании генераторов закрутки или прямой закруткой путем тангенциальной нодачи в канал. Экспериментальные исследования показывают, что закрутка потока оказывает крупномасштабное влияние на ноле течения: расширение струи,процессы инжек-иии, процессы тепло массообмена и диффузии, размеры, форму и устойчивость пламени и интенсивность горения. Влияние слабой закрутки сводится к увеличению ширины свободной или ограниченной струи и уменьшению скорости в ядре потока. При более высокой интенсивности закрутки в потоке возникают большие градиенты давления в радиальном направлении, которые приводят к образованию осевой рециркуляционной зоны. В таких течениях обычно наблюдаются большие значения сдвиговых напряжений и интенсивности турбулентности, гак что возникают крупномасштабные пульсации скорости, температуры, концентрации. Рециркуляционная зона играет также важную роль в стабилизации пламени,создавая ноток горячих рширкулируюших продуктов сгорания и область пониженных скоростей, где скорость распространения пламени и скорость потока могут быть близкими друг другу. При этом длина пламени и расстояние от горелки, на котором происходит стабилизация пламени, значительно сокращаются.
Кроме закрутки имеется еще ряд факторов, которые осложняют рассмотрение течения: турбулентность, тепломассообмен, химическое реагирование и горение. Имеющиеся в настоящее время данные о совместном влиянии закрутки, турбулентности. тепломассообмена и химического реагирования на структуру течения весьма разноречивы. Существующие в настоящее время теории, не могут претендовать на полноту описания всего экспериментального материала. Поэтому комплексное рассмотрение влияния гидродинамических, тепловых и химических факторов на процессы переноса в турбулентных закрученных потоках представляет достаточно сложную и. в связи с практическими потребностями, актуальную задачу.
Только полная математическая модель явления, основанная на фундаментальных уравнениях аэротермохимии [13], даст возможность проанализировать взаимовлияние гидродинамического, химического и теплового факторов на течение, тепломассообмен и горение в закрученных потоках.
Целью настоящей работы является
• исследование влияния закрутки потока на процессы генерации и диссипации турбулентности; исследование теплообмена эндотермически реагирующего теплоносителя в условиях закрутки потока; в исследование теплообмена закрученного потока в условиях перехода к турбулентности; г
• исследование механизма воспламенения в потоках с закруткой и влияние закрутки на режимы сжигания газов в нестационарных условиях; определение условий срыва пламени в потоках с умеренной закруткой потока;
• выработка рекомендаций по повышению эффективности и экологической безопасности технологических устройств, использующих закрутку потока;
• разработка схем сжигания топлива в вихревых торелочных устройствах, позволяющих снизить расход топлива, повысить полноту сгорания и сократить выброс токсичных газов; в разработка схемы нейтрализации продуктов сгорания твердотопливной двигательной установки с использованием закрутки нейтрализацмонной струн; создание физико-математической модели сепарации частиц в гидроциклонах; в разработка теоретических основ очистки почвы, загрязненной нефтью с использованием гидроциклонов.
Методическая часть работы базируется на основопологающих физических идеях и математическом аппарате современной химической гидрогазодинамики, теплофизики и теории горения. Объединяя на основе единого физического механизма и единого подхода к математическому описанию разнородные по назначению и внешнему оформлению процессы в закрученных потоках (сепарация, тепломассообмен, горение), удается создать единую теорию закрученных потоков. При анализе всех рассматриваемых вопросов предпочтение отдается применению численных методов исследования. Стремление к численному решению задач обусловлено необходимостью учета множества важных нелинейных факторов и желанием иметь возможность прогнозирования поведения системы во всем объеме многомерного пространства параметров.
В результате выполненного исследования уда лось установить механизм влияния закрутки на структуру течения, процесс турбулизашш и реламинаризации течения и показать, что центробежные силы, возникающие в закрученных течениях существенно влияют на процессы перехода к турбулентности и распределение в потоке турбулентных характеристик. Исследован теплообмен закрученных химически реагирующих потоков с различными значениями теплового эффекта: в работе рассматривались эн до-. изо- и экзотермические реакции. Проанализированы основные закономерности стабилизации пламени в закрученных потоках и определен механизм влияния закрутки на химическое реагирование и сжигание газов. Проведено исследование сепарации частиц в гидроциклонах. Разработаны теоретические основы очистки почвы с помощью гндроник локировали я.
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами тестирования численной процедуры на известных точных решениях, сравнением с известными результатами других авторов, как численными, так и экспериментальными.
Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, и списка цитируемой литературы.
Похожие диссертационные работы по специальности «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», 11.00.11 шифр ВАК
Гидродинамика и разделительная способность течений в гидромеханических устройствах и аппаратах2003 год, доктор технических наук Фафурин, Виктор Андреевич
Экспериментальное и теоретическое уточнение методики проектирования вихревых противоточных низкоперепадных горелок2007 год, кандидат технических наук Гурьянов, Александр Игоревич
Разработка методических основ газодинамической стабилизации фронта пламени поточных камер сгорания на закрученных высокоэнтальпийных струях2008 год, кандидат технических наук Ахмед Мамо Демена
Методы математического моделирования гидродинамики и теплообмена закрученных потоков в каналах с завихрителями2002 год, доктор технических наук Митрофанова, Ольга Викторовна
Расчет аэродинамики потоков угольной пыли с учетом выхода летучих компонентов1999 год, кандидат технических наук Дубич, Виктория Викторовна
Заключение диссертации по теме «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», Матвиенко, Олег Викторович
Заключение, Основные выводы работы
В диссертации, написанной на основе работ [219] — [266], с единых методических позиций проведено комплексное исследование структуры течения, сепарации, теплообмена, химического реагирования и горения в потоках с закруткой в механики жидкости и газа, а также в задачах охраны окружающей среды.
Б результате проведённых исследований
• впервые исследовано влияние способа организации закрутки потока на процессы генерации и диссирации ту рбулен иности; в впервые получены данные и теоретически предсказан эффект уменьшения критерия теплоотдачи в закрученном потоке с внутренним объёмным источником сойма;
• впервые исследован теплообмен эндотермически реагирующего теплоносителя в условиях закрутки потока; найдено, что вблизи от входа, теплоотдача увеличивается с закруткой, вниз по потоку —- уменьшается; впервые исследован теплообмен закрученного потока в условиях перехода к турбулентности; найдена зависимость коэффициента теплоотдачи от способа организации закрутки потока, определяющего характер воздействия закругки на турбулентность, впервые исследованы условия неустойчивого горения в потоках с умеренной закруткой потока; предложена методика определения условий устойчивого горениям;
• впервые исследован механизм воспламенения в потоках с закруткой и влияние закрутки па режимы сжигания газов в нестационаргых условиях; впервые проведен учет влияния турбулентных пульсаций температуры и концентрации реагента на скорость химического реагирования и горения в закрученном потоке; в впервые разработана физико-математическая модель сепарации частиц в гидроциклонах с учетом их турбулентной диффузии; представленная математическая модель позволяет рассчитать показатели разделения и распределение скоростей, давления и концентраций частиц в гидроциклонах;
• впервые предложены теоретические основы очистки почвы с использованием метода гидроциклонирования,
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.