Изменение скорости и диаметра горящей капли при ее взаимодействии с акустическим потоком газа в трубке | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №12 (146) март 2017 г.

Дата публикации: 27.03.2017

Статья просмотрена: 6 раз

Библиографическое описание:

Попкова О. С., Медведева П. В. Изменение скорости и диаметра горящей капли при ее взаимодействии с акустическим потоком газа в трубке // Молодой ученый. — 2017. — №12. — С. 75-78. — URL https://moluch.ru/archive/146/41137/ (дата обращения: 17.12.2018).



Приводится численное исследование изменения скорости и диаметра жидкой горящей капли при ее взаимодействии с акустическим потоком газа в длинной цилиндрической трубе. При моделировании учитывают аэродинамическое взаимодействие капли с газовым потоком и процессы испарения и горения. Расчеты проводились для этилового спирта, которые реагируют с кислородом воздуха. Исследованы влияния начальных значений диаметра капли, ее положения и скорости на изменение ее диаметра. Построены зависимости по результатам расчетов. Приведенная методика позволяет подобрать такие значения геометрических и термодинамических параметров трубки Рийке, которые были бы оптимальны для рабочего процесса горения жидкого топлива.

Ключевые слова: трубка Рийке, теплоподвод, время жизни капли, изменение диаметра

Рассматривается цилиндрическая труба длины L, диаметра d, причем d<<L. Ось трубы 0 наклонена к горизонту под углом . В сечении имеется теплоподвод шириной (трубка Рийке). Схема трубы и положение капли представлены на рис. 1.

Приведем условия моделирования поведения капли в акустическом поле трубы

  1. Рассматривается трёхмерное движение капли в одномерном акустическом поле трубы.
  2. Капли в трубе не дробятся, предварительная подготовка их к испарению (дробление, прогрев, самовоспламенение) происходит в резонаторной трубе.
  3. Обратные токи отсутствуют. Процесс испарения поддерживается за счёт самовоспламенения компонентов непосредственно после поступления их в трубу.
  4. Рассматривается движение капли наибольшего диаметра, образованной в результате газодинамического распыла. Считается, что рассматриваемая капля изолирована от более мелких капель и имеет определённую начальную скорость.
  5. В процессе движения капель не происходит их коалесценции (соприкосновения).
  6. Испаряющиеся капли не влияют на характер движения газовой среды.
  7. Лучистый теплообмен при нагреве и испарении капель не учитывается.
  8. Начальная температура капель и газа равна той, с которой они поступают в камеру сгорания.
  9. Колебания давления в камере не влияют на температуру в ней.

При решении задачи рассмотрим частный случай — труба закрыта с одного конца. Давление на входе и выходе полагаются постоянным. Решение строится на совместном решении системы волновых уравнений, уравнений движения и испарения [1–4]. В статье [5] представлены опыты на экспериментальной установке аналогичной задачи для исследования гидродинамических параметров на начальном участке течения жидкости.

рис 4

Рис. 1. Схема трубы

Расчеты проводились для случая испарения капель дизельного топлива в кислороде воздуха. Приведем конкретные значения геометрических и термодинамических параметров: =2,5 м, =0,5 м, =0,2 м, =633,5 К, =293 K, =293 K, =45°, =0,44310–4, =45°, =0,0691Дж/(мК), =29 кг/кмоль, =1.4, =8314 Дж/(кмоль∙К), =1880 Дж/(кг∙К), =1,13910–4 м3/с, =860 кг/м3, =9.8 м/с2, =381000 Дж/кг, =1,29 г/м3, =0,0283 м2/с.

При заданных геометрических параметрах и = 0,71, = 0,11 и замеренных значениях = 293 K, = 1025 K значение = 0,3933 м-1 получается из решения волнового уравнения [6, c. 182], а определенное экспериментально максимальное давление в начале трубы = 5120 Па.

На рис. 2 представлены изменения модуля скорости капли при начальной скорости =7м/с и различных значениях диаметра в зависимости от безразмерного времени . При испарении скорость капли начинает пульсировать.

Рис. 2. Изменение модуля скорости капли при 7 м/с для различных значений диаметра в зависимости от безразмерного времени: 1D0=500 мкм; 2 — D0=300 мкм; 3 — D0=100 мкм.

На рис. 3 представлены изменения модуля скорости капли для различных значений скорости в зависимости от безразмерного времени . При увеличении начальной скорости капли пульсации усиливаются.

Рис. 3. Изменение модуля скорости капли D0=500 мкм для различных значений скорости в зависимости от безразмерного времени: 1=0 м/с; 2 — =7 м/с; 3 — =20 м/с.

На рис. 4 представлены изменения числа Re в зависимости от безразмерного времени . Для приведенных выше значений параметров число Re совершает затухающие колебания.

Рис. 4. Зависимость числа Re от безразмерного времени

На рис.5 представлена зависимость диаметра капли от безразмерного времени при постоянной скорости.

Рис. 5 Изменение диаметра капли в зависимости от безразмерного времени при постоянной скорости

Рис. 6. Изменение диаметра капли в зависимости от безразмерного времени при различных значениях начальной скорости

По рис.6 можно судить о времени жизни капли = 700 мкм при различных значениях начальной скорости. Увеличение интенсифицирует взаимодействие капли с потоком и сокращает время ее жизни, но не очень сильно.

Литература:

  1. Carvalho J. A., Mcquay M. Q. and Gotac P. R. The Interaction of Liquid Reacting Droplets with the Pulsating flow in a Rijke-Tube Combustor. Combustion and Flame. 108: 87–103, 1997.
  2. Зверев И. Н., Смирнов Н. Н. Газодинамика горения. М: Изд-во МГУ, 1987, 308 с.
  3. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. Часть 1. М: Наука, 1987, 464 с.
  4. Самарский А. А., Попов Ю. П. Разностные методы решения задач газовой динамики. М.: Наука, 1980. 352 c.
  5. Шарипов И. И., Салимханов М. М. Исследование течения жидкости на начальном участке контактного устройства для струйно-барботажной колонны // Молодой ученый. — 2017. — № 4. C. 85–89.
  6. Попкова О. С., Медведева П. В., Шаймухаметова А. Ш., Шаймухаметов М. И. Определение параметров горящей капли при ее взаимодействии с акустическим потоком газа в трубке// Молодой ученый. — 2015. — № 24. C. 181–184.


Ключевые слова

трубка Рийке, теплоподвод, время жизни капли, изменение диаметра

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос