WikiDer > Нестабильность горения - Википедия

Нестабильность горения физические явления, происходящие в реагирующем потоке (например, пламя), при котором некоторые возмущения, даже очень маленькие, нарастают, а затем становятся достаточно большими, чтобы каким-то образом изменить характеристики потока.^[1][2][3]

Карта устойчивости гипотетической камеры сгорания. Эта камера сгорания работает в условиях, при которых не возникает опасной нестабильности горения.

Во многих практических случаях возникновение нестабильности горения нежелательно. Например, термоакустическая нестабильность представляет собой серьезную опасность для газовые турбины и ракетные двигатели.^[1] Более того, явно опасно срывание пламени авиационного газотурбинного двигателя в полете (см. пламя).

Из-за этих опасностей процесс инженерного проектирования двигателей предполагает определение устойчивости карта (см. рисунок). Этот процесс определяет область нестабильности горения и пытается либо устранить эту область, либо отодвинуть рабочую область от нее. Это очень дорогостоящий итеративный процесс. Например, многочисленные испытания, необходимые для разработки ракетных двигателей. ^[4] в значительной степени частично связаны с необходимостью устранения или уменьшения воздействия термоакустической нестабильности горения.

Классификация нестабильностей горения

В приложениях, направленных на двигатели, нестабильность горения подразделяется на три категории, которые не полностью различаются. Эта классификация была впервые введена Марселем Баррером и Форман А. Уильямс в 1969 г.^[5] Три категории:^[6]

• Камерные нестабильности - неустойчивости, возникающие из-за возникновения горения внутри камеры (акустические неустойчивости, ударные неустойчивости, гидродинамические неустойчивости, связанные с камерой и т. д.)
• Внутренняя нестабильность - неустойчивости, возникающие независимо от того, происходит горение внутри камеры или нет (химико-кинетические неустойчивости, диффузионно-тепловые неустойчивости, гидродинамические неустойчивости и т. д.)
• Системная нестабильность - нестабильности, возникающие из-за взаимодействия между процессами горения в камере и где-либо еще в системе (взаимодействия системы подачи, взаимодействия системы выпуска и т. д.)

Термоакустическая нестабильность горения

При этом типе неустойчивостей возмущения, которые нарастают и изменяют характеристики течения, имеют характер акустика природа. Связанные с ними колебания давления могут быть хорошо определены. частоты с достаточно высокими амплитудами, чтобы представлять серьезную опасность для систем сгорания.^[1] Например, в ракетных двигателях, таких как Рокетдайн Ф-1 ракетный двигатель ^[7] в Сатурн V программы нестабильности могут привести к серьезным повреждениям камеры сгорания и окружающих компонентов (см. ракетные двигатели). Кроме того, известно, что нестабильность разрушает компоненты газотурбинного двигателя во время испытаний.^[8] Они представляют опасность для любого типа системы сгорания.

Термоакустические неустойчивости горения можно объяснить, выделив следующие физические процессы:

• обратная связь между колебаниями тепловыделения (или колебаниями пламени) с акустикой камеры сгорания или камеры сгорания
• связь этих двух процессов в пространстве-времени
• прочность этой связи по сравнению с акустическими потерями
• физические механизмы колебаний тепловыделения

Самый простой пример термоакустической неустойчивости горения, возможно, происходит в горизонтальном Трубка Рийке (смотрите также термоакустика): Рассмотрим поток через горизонтальную трубу, открытую с обоих концов, в которой плоское пламя находится на расстоянии одной четверти длины трубы от крайнего левого конца. Аналогично органная труба, акустические волны перемещаться вверх и вниз по трубе, создавая определенный рисунок стоячие волны. Такой рисунок также образуется в реальных камерах сгорания, но принимает более сложную форму.^[9] Акустические волны возмущают пламя. В свою очередь, пламя влияет на акустику. Эта обратная связь между акустическими волнами в камере сгорания и колебаниями тепловыделения от пламени является отличительным признаком термоакустической нестабильности горения. Обычно он представлен блок-схема (см. рисунок). При некоторых условиях возмущения будут расти, а затем насыщаться, создавая определенный шум. На самом деле, говорят, что пламя трубки Рийке поет.

Неустойчивости горения представлены блок-схемой в виде усилителя обратной связи.

Условия роста возмущений даются формулами Рэлея (Джон Уильям Стратт, третий барон Рэлей) критерий:^[10] Термоакустическая нестабильность горения будет возникать, если объемный интеграл корреляции колебаний давления и тепловыделения по всей трубе больше нуля (см. Также термоакустика). Другими словами, нестабильность возникнет, если флуктуации тепловыделения сочетаются с флуктуациями акустического давления в пространстве-времени (см. Рисунок). Однако этого условия недостаточно для возникновения неустойчивости.

Термоакустическая нестабильность горения, возникающая в камере сгорания с пламенной стабилизацией с обтекаемым телом. Темные области указывают на сильное выделение тепла, а большие деформации указывают на высокое давление. Обратите внимание, что всякий раз, когда и где бы ни происходили большие деформации, видны темные области. Это отличительное сочетание давления и тепловыделения, наблюдаемое при термоакустической нестабильности горения.

Другое необходимое условие для установления нестабильности горения состоит в том, что возбуждение неустойчивости от указанной выше связи должно быть больше, чем сумма акустических потерь.^[11] Эти потери происходят через границы трубы или из-за вязкого рассеяние.

Комбинируя вышеуказанные два условия и для простоты предполагая здесь небольшие колебания и невязкий поток, приводит к расширенному критерию Рэлея. Математически этот критерий задается следующим неравенством:

${ displaystyle int _ {0} ^ {T} int _ {V} p'q'dVdt> int _ {0} ^ {T} int _ {S} p ' mathbf {u'} cdot mathbf {n} dSdt.}$

Здесь p 'представляет собой колебания давления, q' колебания тепловыделения, ${ displaystyle mathbf {u '}}$ колебания скорости, T - достаточно длительный интервал времени, V - объем, S поверхность, а ${ Displaystyle mathbf {п}}$ нормаль к границам поверхности. Левая часть обозначает связь между флуктуациями тепловыделения и флуктуациями акустического давления, а правая часть представляет собой потерю акустической энергии на границах трубы.

Графическое представление расширенного критерия Рэлея для некоторой камеры сгорания, показывающее область, где усиление превышает потери, а реакция камеры сгорания сильная. Это предполагает высокую вероятность нестабильности горения. Этот рисунок адаптирован из.^[1]

Графически для конкретной камеры сгорания расширенный критерий Рэлея представлен на рисунке справа как функция частоты. Левая часть приведенного выше неравенства называется выигрышем, а правая часть - потерями. Обратите внимание, что есть область, где прибыль превышает потери. Другими словами, указанное выше неравенство выполняется. Кроме того, обратите внимание, что в этой области реакция камеры сгорания на акустические колебания достигает максимума. Таким образом, вероятность нестабильности горения в этой области высока, что делает ее областью, которую следует избегать при работе камеры сгорания. Это графическое представление гипотетической камеры сгорания позволяет сгруппировать три метода предотвращения нестабильности горения:^[1] увеличить убытки; уменьшить прирост; или переместите пиковый отклик камеры сгорания из области, где усиление превышает потери.

Чтобы дополнительно прояснить роль связи между колебаниями тепловыделения и колебаниями давления в создании и возникновении нестабильности, полезно провести сравнение с работой двигатель внутреннего сгорания (ЛЕД). В ДВС выше тепловая эффективность достигается за счет выделения тепла за счет сгорания при более высоком давлении. Аналогичным образом, более сильное движение к нестабильности горения происходит, когда тепло выделяется при более высоком давлении. Но хотя высокое тепловыделение и высокое давление совпадают (примерно) по всей камере сгорания в ДВС, они совпадают в определенной области или областях во время нестабильности горения. Кроме того, в то время как в ДВС высокое давление достигается за счет механического сжатия с поршень или компрессор, при неустойчивости горения образуются области высокого давления, когда образуется стоячая акустическая волна.

Физических механизмов, вызывающих указанные флуктуации тепловыделения, много.^[1][8] Тем не менее их можно условно разделить на три группы: флуктуации тепловыделения из-за неоднородностей смеси; вызванные гидродинамической неустойчивостью; и, вызванные статической нестабильностью горения. Чтобы представить флуктуации тепловыделения из-за неоднородностей смеси, рассмотрим пульсирующий поток газообразного топлива перед пламегасителем. Такой пульсирующий поток вполне может создаваться акустическими колебаниями в камере сгорания, которые соединены с системой подачи топлива. Возможны многие другие причины. Топливо смешивается с окружающим воздухом таким образом, что неоднородная смесь достигает пламени, например, капли топлива и воздуха, достигающие пламени, могут чередоваться между богатыми и бедными. В результате происходят колебания тепловыделения. Колебания тепловыделения, вызванные гидродинамической неустойчивостью, случаются, например, в камерах сгорания, стабилизированных обтекаемым телом, когда вихри взаимодействовать с пламенем (см. предыдущий рисунок).^[12]Наконец, колебания тепловыделения из-за статической нестабильности связаны с механизмами, описанными в следующем разделе.

Статическая нестабильность или срыв пламени

Пламя из стабилизированной завихрением, предварительно перемешанной академической камеры сгорания подвергается продувке. Поток идет справа налево. Соотношение топливо-воздух уменьшено. Это заставляет пламя менять свою форму, затем становится нестабильным и, в конце концов, сдувается.

Статическая нестабильность ^[2] или сдувание пламени относятся к явлениям, включающим взаимодействие между химическим составом смеси топливо-окислитель и проточной средой пламени.^[13] Чтобы объяснить эти явления, рассмотрим пламя, которое стабилизируется завихрением, как в газовой турбине. камера сгорания, или с блефовое тело. Более того, скажите, что химический состав и условия потока таковы, что пламя горит сильно, и что первые задаются соотношением топливо-окислитель (см. соотношение воздух-топливо), а последний - набегающей скоростью. Для фиксированной встречной скорости уменьшение соотношения топливо-окислитель заставляет пламя изменять свою форму, а при дальнейшем уменьшении пламя колеблется или перемещается с перерывами. На практике это нежелательные условия. Дальнейшее уменьшение соотношения топливо-окислитель приводит к потере пламени. Это явно операционный сбой. При фиксированном соотношении топливо-окислитель увеличение набегающей скорости заставляет пламя вести себя так же, как только что описанное.

S-образная кривая, полученная при решении модели гомогенного реактора, представляющей пламя.

Хотя только что описанные процессы изучаются экспериментально или с помощью Вычислительная гидродинамика, поучительно объяснить их с помощью более простого анализа. В этом анализе взаимодействие пламени с потоком моделируется как идеально перемешанное химический реактор.^[14] В этой модели определяющим параметром является соотношение между шкалой времени потока (или временем пребывания в реакторе) и шкалой химического времени, а ключевым наблюдаемым параметром является максимальная температура реактора. Связь между параметром и наблюдаемым выражается так называемой S-образной кривой (см. Рисунок). Эта кривая является результатом решения основных уравнений модели реактора. У него три ветви: верхняя ветвь, в которой пламя сильно горит, т. Е. «Устойчиво»; средняя ветвь, в которой пламя «нестабильно» (вероятность того, что решения уравнений модели реактора будут находиться в этой нестабильной ветви, мала); и нижняя ветвь, в которой нет пламени, а есть холодная смесь топлива и окислителя. Уменьшение соотношения топливо-окислитель или увеличение скорости набегающего потока, упомянутые выше, соответствуют уменьшению соотношения потокового и химического масштабов времени. Это, в свою очередь, соответствует движению влево на S-образной кривой. Таким образом, пламя, которое активно горит, представлено верхней ветвью, а его выход - это движение влево вдоль этой ветви к точке гашения Q. Как только эта точка пройдена, пламя входит в среднюю ветвь, становясь таким образом «нестабильным», или сдувается. Вот как эта простая модель качественно отражает более сложное поведение, объясненное в приведенном выше примере пламени, стабилизированного завихрением или обрывистым телом.

Внутренняя нестабильность пламени

В отличие от термоакустической нестабильности горения, где преобладает роль акустики, внутренняя нестабильность пламени относится к нестабильности, вызванной дифференциальной и преимущественной диффузией, тепловым расширением, плавучестью и тепловыми потерями. Примеры этих нестабильностей включают Неустойчивость Дарье – Ландау, то Неустойчивость Рэлея-Тейлора, термодиффузионные неустойчивости (см. Двойная диффузионная конвекция).

Рекомендации