Wrocław dnia 15.10.2001r.
GRUPA NR 4
PAWEŁ UCHWAT
LOKAJ ALEKSANDER
KONRAD SKRZYPCZAK
Prowadzący: mgr inż. ZACHARCZUK
TEMAT: AERODYNAMIKA PŁOMIENIA
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest poznanie przepływu w strudze za pomocą palników przemysłowych i zaobserwowanie różnic pomiędzy przepływem laminarnym i turbulentnym..
CZĘŚĆ 1 WSTĘP TEORETYCZNY
Aerodynamika spalania - kształtowanie się pola przepływu w obszarze reakcyjnym komory. W większości urządzeń, w których zachodzą procesy spalania, paliwo i utleniacz są podawane przez palniki. Przestrzeń za palnikami, w której odbywa się spalanie, nazywa się komorą spalania (paleniskiem) Właśnie palniki mają największy wpływ na formowanie się aerodynamiki spalania. Zadaniem palników jest doprowadzenie w odpowiedniej porcji paliwa i utleniacza do obszaru komory spalania lub paleniska, odpowiednie ich zmieszanie i zapewnienie stabilnego przebiegu procesu spalania. Sposób podawania paliwa i utleniacza do komory paleniskowej zależy od stanu skupienia paliwa. Paliwo gazowe jest doprowadzane bezpośrednio do płomienia natomiast paliwo ciekłe wymaga uprzedniego rozpylenia lub odparowania. Z powodu znaczenia mieszania paliwa z utleniaczem dla jakości spalania i stabilności płomienia, szczególnie istotny jest obszar wokół palnika.
Strugi proste
Strugą nazywamy gaz wypływający z dyszy oddziałując z gazem znajdującym się w otoczeniu. Przepływ w strudze może być laminarny bądź turbulentny.
W przypadku małych prędkości wypływu, zwłaszcza wówczas, gdy średnica wylotu jest niewielka, wypływ jest laminarny, ale wraz z oddaleniem struga może nabrać turbulentnego charakteru przepływu. W większości palników przemysłowych wypływy strumieni powietrza lub paliwa mają charakter turbulentny. Istotne znaczenie dla zrozumienia zachowania się płomienia mają strugi w ośrodku poruszającym się, zwłaszcza jeśli występuje różnica między prędkościami strugi i otaczającego ośrodka. Na granicy poruszających się z różną prędkością strumieni powstaje warstwa graniczna, w której występuje intensywne przekazywanie masy i pędu między strumieniami, a w rezultacie szybkie mieszanie wyrównywanie się prędkości. Wyróżniamy następujące rodzaje strug:
-struga pierścieniowa
-struga poprzeczna do przepływu
- struga zawirowana
Cechy przepływów turbulentnych - w procesach spalania ważną rolę pełni przekazywanie ciepła, masy i pędu, które w płomieniach laminarnych ma charakter molekularny. W płomieniach turbulentnych dominuje turbulentny charakter przekazywania ciepła, masy i pędu. Kryterium przejścia ruchu laminarnego w turbulentny określa liczba Re.
Najistotniejszą cechą ruchu turbulentnego, w porównaniu z ruchem laminarnym jest zwiększenie intensywności procesów mieszania. Wszelkie niejednorodności pól skalarnych o skali makro szybko są rozdrabniane do niejednorodności o skali mikro, a następnie rozpraszane w wyniku procesów molekularnych. W przepływie turbulentnym wzrastają długości włókien wirowych oraz pola powierzchni ograniczających obszary zawierające paliwo, utleniacz i produkty spalania. Powoduje to zwiększenie gradientów gradientów wszystkich wielkości skalarnych a co za tym idzie - wzrost intensywności całkowitego transportu molekularnego. Jeden z modeli rozprzestrzeniania się płomienia turbulentnego zakłada iż w płomieniu turbulentnym występuje ciągła powierzchnia spalania, analogiczna do laminarnego frontu spalania. Na powierzchnię płomienia oddziałują zarówno zaburzenia o skali znacznie większej od grubości płomienia laminarnego jaki i zaburzenia o skali mniejszej. Turbulencja o dużej skali powoduje jedynie pofałdowanie powierzchni płomienia. Z kolei w innym modelu turbulentnym tzw. modelu mikro objętościowym zakłada się że prędkość spalania jest wynikiem pochłaniania przez obszar spalin dużych objętości mieszanki, które w wyniku procesu kaskadowego zostają rozdrobnione a otoczone przez gorące gazy przereagowują w tych obszarach, w których temperatura po zmieszaniu osiąga temperaturę zapłonu. Całkowita prędkość spalania będzie w tym przypadku będzie znacznie przewyższała prędkość spalania laminarnego, ze względu na przyspieszenie procesów molekularnych przez ruch turbulentny.
Przejście od płomienia laminarnego do turbulentnego
Przejście od płomienia laminarnego do turbulentnego jest zazwyczaj charakteryzowane liczbą Re, która jest odwrotnie proporcjonalna do współczynnika lepkości kinematycznej gazu. Ponadto wartość współczynnika lepkości kinematycznej bardzo zależy od temperatury.
Re = ud/v
Zwiększenie prędkości wypływu paliwa gazowego z dyszy powoduje zmianę kształtu płomienia. Jeżeli prędkość wylotowa jest mniejsza od prędkości krytycznej, to przepływ gazu w otaczającym nieruchomym powietrzu jest laminarny, a mieszanie gazu i powietrza zachodzi wskutek dyfuzji molekularnej. Zjawisko laminaryzacji opóźnia wstępowanie powietrza do płomienia, co powoduje wolniejsze wyrównanie prędkości osiowej oraz przesunięcie turbulentnego zakresu spalania ku większym liczbom Reynoldsa.
Ze względów eksploatacyjnych podczas spalania należy stosować zabieg stabilizacji płomienia. Dla płomienia laminarnego stabilizacja polega na lokalnym zmniejszeniu wypływu mieszanki palnej poniżej prędkości propagacji płomienia. W tym celu wykorzystuje się własności profilu prędkości warstwy granicznej.
Techniki stabilizacji spalania turbulentnego opierają się na zasadzie zapłonu świeżej mieszanki gorącymi produktami spalania.
W tym celu wywołuje się wewnętrzną recyrkulację produktów spalania poprzez umieszczenie w przepływie ciał nie opływowych lub przez silne zawirowania powietrza.
CZĘŚĆ 2 OBLICZENIA
Tabela pomiarowa
Lp. |
V[l/h] |
V[m |
H[cm] |
Vrzecz[m3/s] |
Re |
1 |
2,5 |
0,000694 |
0,025 |
0,001207 |
0,00000023 |
2 |
8 |
0,002222 |
0,055 |
0,003863 |
0,00000074 |
3 |
15 |
0,004167 |
0,1 |
0,007245 |
0,00000138 |
4 |
23 |
0,006389 |
0,15 |
0,011108 |
0,00000212 |
5 |
30 |
0,008333 |
0,17 |
0,014487 |
0,00000277 |
6 |
40 |
0,011111 |
0,29 |
0,019317 |
0,00000369 |
7 |
150 |
0,041667 |
0,44 |
0,072440 |
0,00001385 |
8 |
250 |
0,069444 |
0,53 |
0,120731 |
0,00002307 |
9 |
400 |
0,111111 |
0,58 |
0,193171 |
0,00003692 |
10 |
600 |
0,166667 |
0,5 |
0,289758 |
0,00005538 |
11 |
700 |
0,194444 |
0,5 |
0,338050 |
0,00006461 |
12 |
800 |
0,222222 |
0,5 |
0,386343 |
0,00007384 |
Przykładowe obliczenia
Dane:
η=10,87
ρ=0,742
d=0,0028m
Kinematyczny współczynnik lepkości
v = η/ρ [m2/s]
v = 10,87/0,742 = 14,65 [m2/s]
Poprawka stosowana przy pomiarach prędkości za pomocą rotametru
Vrzecz = Vmierz*ρpow/ρCH4 = 0,001207 [m3/s]
Liczba Reynoldsa
Re = ud/v
Re = (0,001207*0,0028)/14,65=0,00000023
Analogicznie zostały wykonane pozostałe obliczenia
CZĘŚĆ 3 WNIOSKI
Podczas doświadczenia obserwowaliśmy jak zachowuje się płomień na przykładzie kilku palników przemysłowych. Zaobserwowaliśmy iż wraz ze wzrostem prędkości wylotowej gazu, początkowo płomień wzrasta nie zmieniając kształtu. Teoretycznie wzrost ten jest proporcjonalny jednak po narysowaniu charakterystyki płomienia zauważyliśmy że tak nie jest. Gdy gazy osiągną dostatecznie dużą prędkość, płomień zaczyna zmieniać swój kształt, następuje zatem przejście spokojnego ruchu laminarnego w ruch turbulentny a płomień jest bardziej burzliwy i wyostrzony. Dalsze zwiększanie prędkości wypływu gazu powoduje iż punkt w którym zanika ruch laminarny przemieszcza się w kierunku dyszy i płomień wtedy jest w pełni turbulentny. Przy dalszym zwiększaniu prędkości zauważyliśmy że kształt płomienia się zmienia nieznacznie natomiast zmienia się barwa płomienia na niebieską co świadczy o tym że wtedy jest pełne i najlepsze spalanie. Również wraz ze wzrostem prędkości wypływu gazu wzrasta hałaśliwość spalania. Ponadto podczas doświadczenia mogliśmy zauważyć że umieszczenie ciała nie opływowego u wylotu dyszy znacznie poprawia spalanie.