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 турбулентностиисследование теплообмена эндотермически реагирующего теплоносителя в условиях закрутки потокав исследование теплообмена закрученного потока в условиях перехода к турбулентностиг.

• исследование механизма воспламенения в потоках с закруткой и влияние закрутки на режимы сжигания газов в нестационарных условияхопределение 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 газовв разработка схемы нейтрализации продуктов сгорания твердотопливной двигательной установки с использованием закрутки нейтрализацмонной струнсоздание физико-математической модели сепарации частиц в гидроциклонахв 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-. изои 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.

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 иностив 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 потоканайдено, что вблизи от входа, теплоотдача увеличивается с закруткой, вниз по потоку —- уменьшаетсявпервые исследован теплообмен закрученного потока в условиях перехода к турбулентностинайдена зависимость коэффициента теплоотдачи от способа организации закрутки потока, определяющего характер воздействия закругки на турбулентность, впервые исследованы условия неустойчивого горения в потоках с умеренной закруткой потокапредложена методика определения условий устойчивого горениям;

• впервые исследован механизм воспламенения в потоках с закруткой и влияние закрутки па режимы сжигания газов в нестационаргых условияхвпервые проведен учет влияния турбулентных пульсаций температуры и концентрации реагента на скорость химического реагирования и горения в закрученном потокев впервые разработана физико-математическая модель сепарации частиц в гидроциклонах с учетом их турбулентной диффузиипредставленная 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,.