Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения

Рассмотрена задача управления амплитудой продольных автоколебаний колеблющегося пламени Хиггинса в трубе Рийке при действии механизма запаздывающего сгорания одновременно с другими известными механизмами, которые оказывают диаметрально противоположное влияние на характер изменения нестационарности д...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2009
Main Authors:	Гоцуленко, В.В., Басок, Б.И.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2009
Series:	Промышленная теплотехника
Subjects:	Термодинамика и процессы переноса
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60792
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения / В.В. Гоцуленко, Б.И. Басок // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 3. — С. 101-107. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-60792
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-607922014-04-20T03:03:23Z Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения Гоцуленко, В.В. Басок, Б.И. Термодинамика и процессы переноса Рассмотрена задача управления амплитудой продольных автоколебаний колеблющегося пламени Хиггинса в трубе Рийке при действии механизма запаздывающего сгорания одновременно с другими известными механизмами, которые оказывают диаметрально противоположное влияние на характер изменения нестационарности движения пламени. Розглянуто задачу керування амплітудою поздовжніх автоколивань коливного полум’я Хіггінса в трубі Рійке при дії механізму запізнення згорання одночасно з іншими відомими механізмами, які виконують діаметрально протилежний вплив на характер зміни нестаціонарності руху полум’я. The problem of controlling the amplitude of longitudinal self-oscillations of a Higgins «singing» flame in a Rijke pipe is considered at action of the mechanism of late combustion simultaneously with other known mechanisms, which render an opposite influence on the character of change in the nonstationary character of movements flame motion . 2009 Article Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения / В.В. Гоцуленко, Б.И. Басок // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 3. — С. 101-107. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60792 669.162.23 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Термодинамика и процессы переноса Термодинамика и процессы переноса
spellingShingle	Термодинамика и процессы переноса Термодинамика и процессы переноса Гоцуленко, В.В. Басок, Б.И. Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения Промышленная теплотехника
description	Рассмотрена задача управления амплитудой продольных автоколебаний колеблющегося пламени Хиггинса в трубе Рийке при действии механизма запаздывающего сгорания одновременно с другими известными механизмами, которые оказывают диаметрально противоположное влияние на характер изменения нестационарности движения пламени.
format	Article
author	Гоцуленко, В.В. Басок, Б.И.
author_facet	Гоцуленко, В.В. Басок, Б.И.
author_sort	Гоцуленко, В.В.
title	Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения
title_short	Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения
title_full	Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения
title_fullStr	Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения
title_full_unstemmed	Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения
title_sort	управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Термодинамика и процессы переноса
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60792
citation_txt	Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения / В.В. Гоцуленко, Б.И. Басок // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 3. — С. 101-107. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT goculenkovv upravlenieavtokolebaniâmikoleblûŝegosâplamenipriodnovremennomdejstviimehanizmovihvozbuždeniâ AT basokbi upravlenieavtokolebaniâmikoleblûŝegosâplamenipriodnovremennomdejstviimehanizmovihvozbuždeniâ
first_indexed	2025-07-05T11:52:18Z
last_indexed	2025-07-05T11:52:18Z
_version_	1836807711537233920
fulltext	Введение Простейшим устройством, в котором возбуж= даются автоколебания среды из=за теплоты, под= водимой путем теплоотдачи от накаленных се= ток, решеток и электроспирали (феномен Рийке) или при сжигании газообразного топлива (явле= ние колеблющегося или “поющего” пламени Хиггинса) является труба Рийке. Это устройство используется как основной элемент в генерато= рах термоакустических колебаний [1] и в печах, выполненных по типу трубы Рийке, где сгорают бытовые отходы, которые в обычных печах не го= рят или имеют низкую полноту сгорания [2]. В монографии [3] перечислены области примене= ния термоакустических автоколебаний в техни= ке. Там же отмечено, что использование и конт= роль таких колебаний даже в простейших случаях весьма ограничены, так как не выявлены причи= ны и условия их возникновения и механизмы поддержания. Из=за возрастания амплитуды колебаний виб= рационного горения с повышением тепловой нагрузки усилия, действующие на конструкцию, становятся разрушительными и достигают по= рядка 20 тонн с частотой воздействия 5…7 Гц [4]. ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 101 ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА Розглянуто задачу керування амплітудою поздовжніх автоколивань коливного полум’я Хіггінса в трубі Рійке при дії механізму запізнення згорання одночасно з іншими відомими ме# ханізмами, які виконують діаметрально протилежний вплив на характер зміни нестаціонарності руху полум’я. Рассмотрена задача управления амплитудой продольных автоколебаний колеблющегося пламени Хиггинса в трубе Рийке при действии механизма запаздывающего сгорания одновре# менно с другими известными механиз# мами, которые оказывают диаметраль# но противоположное влияние на характер изменения нестационарности движения пламени. The problem of controlling the ampli# tude of longitudinal self#oscillations of a Higgins «singing» flame in a Rijke pipe is considered at action of the mechanism of late combustion simultaneously with other known mechanisms, which render an opposite influence on the character of change in the nonstationary character of movements flame motion . УДК 669.162.23 ГОЦУЛЕНКО В.В.1, БАСОК Б.И.2 1Институт предпринимательства “Стратегия” 2Институт технической теплофизики НАН Украины УПРАВЛЕНИЕ АВТОКОЛЕБАНИЯМИ КОЛЕБЛЮЩЕГОСЯ ПЛАМЕНИ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ ДЕЙСТВИИ МЕХАНИЗМОВ ИХ ВОЗБУЖДЕНИЯ A(Qt) – давление подъемной силы; Са – акустическая гибкость; с – скорость звука; F(Qt) – напорная характеристика теплоподвода; H(Qt) – напорная характеристика вентилятора; – гидравлические потери по длине трубы; hдр(Qt) – характеристика сети на выходе из колебательного контура; kвихр– коэффициент гидропотерь созданного вихревого движения; La – акустическая масса; m – масса; P – разность давлений; p – полное давление в сечении потока; Qt – объемный расход дыма; Qвх – объемный расход, входящий в трубу Рийке; r – емкость аккумулятора; S – площадь; t – текущее время; υ – скорость; Z – волновое сопротивление; – длина трубы; ρ – плотность; τ – время запаздывания. Z ( )tQh Это не позволяет осуществить повышение тем= пературы дутья и, в связи с этим, существенно повысить экономические показатели доменного производства. Высказывались различные гипо= тезы по поводу возникновения рассматриваемых колебаний, соответственно и предлагались раз= личные методы их подавления, которые иногда приводили к противоположным результатам [5]. Снижение амплитуд колебаний вибрационного горения осуществляется вслепую [6] с примене= нием многочисленных и зачастую малоэффек= тивных мероприятий с затратой значительных средств и времени [5]. При натурных испытаниях обнаружилось, что одни и те же мероприятия на разных воздухо= нагревателях могут вызывать различный, а иног= да и прямо противоположный эффект [5]. Поэто= му, кроме известного механизма Л. Крокко [7], действуют и другие механизмы, которые были обоснованы в [1, 8, 9]. Эти механизмы имеют свойства, диаметрально противоположные вы= шеотмеченному общеизвестному и общеприз= нанному механизму Л. Крокко [7]. Подавление вибрационного горения в ЖРД (жидкостном реактивном двигателе) требует про= ведения громадного количества экспериментов на создаваемом двигателе и его прототипах [10]. С целью обеспечения устойчивости в потоке при этом используют стабилизаторы – перегородки и акустические поглотители [11], а также различные управляющие воздействия на рабочий процесс в камере сгорания. Динамическое демпфирование автоколебаний проточным стабилизатором рас= смотрено в [8], где определены условия макси= мального снижения их амплитуды. В [12] с целью снижения интенсивности колебаний представле= но введение стабилизирующих вихревого и вол= нового сопротивлений в камеру горения и приве= дена иллюстрация их эффективности. Цель данной работы заключается в обоснова= нии возможностей снижения амплитуды колеба= ний вибрационного горения в камерах горения, а также осуществление управления ими, когда проявляется действие нескольких механизмов их возбуждения и поддержания, свойства которых являются диаметрально противоположными. Объект исследования и его математическое описание На рис. 1 изображена схема рассматриваемой модели камеры горения воздухонагревателя (кау= пера) доменной печи, состоящей из вентилятора 1, регулируемой акустической емкости 2, горелоч= ного устройства с подачей газа 3, вертикальной камеры сгорания 4, дросселя 5, моделирующего насадку каупера. Уравнение импульса массы (изменения коли= чества движения) представляется в следующем виде. , где Gt – вес нагретой среды в трубе Рийке, hгу – потери давления при обтекании горелочного уст= ройства; hТ – потери давления из=за подвода теп= лоты; – потери давления по длине трубы и hдр – потери давления на дросселе, установлен= ном на выходе. Учитывая, что , и пренебрегая потерями давления на горелочном устройстве, запишем это уравнение в форме [12]: , (1)( )t a t dQ L F Q P dt = − 0 0zp gZ p+ ρ = h 102 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА Рис. 1. Схема модели камеры горения воздухонагревателя. где P = hдр(Qt) – зависимость потерь давления на дросселе, которая представляет характеристику сети; ; ; P = pz – p0 – избыточное дав= ление перед дросселем. Уравнение баланса массы [12] с учетом изме= няемого объема дополнительной емкости 2 (рис. 1) при наличии запаздывания τ имеет следующий вид: . Обозначим объемный расход, подаваемый вентилятором в колебательный контур совмест= но с расходом газа, через . Расход Qвых, выходящий из системы, определяется зависимостью Qвых = ϕ(P), которая является обра= щением функции, определяющей характеристику дросселя на выходе из колебательного контура трубы Рийке. Тогда рассматриваемое уравнение баланса массы преобразуется в следующее: , (2) в котором [12] , и . Система нелинейных уравнений с запаздываю= щим аргументом (1), (2) при La → 0 переходит в вы= рожденную, которая используется для описания ди= намики ЖРД с дискретными параметрами [2] и др. Необходимые условия появления периодических решений уравнений движения. Механизмы возбуждения автоколебаний теплоподводом В основу теоретического описания вибрацион= ного горения в ЖРД положен механизм феноме= нологического запаздывания сгорания Л Крокко. Для описания феномена Рийке в [1] была введе= на напорная характеристика преобразования теплоты в напор. Восходящая ее ветвь, по анало= гии с теоретическим описанием помпажа, со= ставляет необходимое условие возникновения периодических решений у рассматриваемой сис= темы уравнений (1), (2) и определяет второй меха= низм возбуждения термоакустических автоколеба= ний и вибрационного горения [1]. Третий механизм как самостоятельного возбуждения ко= лебаний, так и осуществляющий возрастание их амплитуды [9] связан с образованием энтропий= ных волн. Возможность появления акустических колебаний из=за периодического изменения энт= ропии в потоке приведена в [7], где отмечено, что теории, опирающейся на этот механизм, еще не создано. В работе [8] теоретически обоснован рост амплитуды колебаний с увеличением тепловой нагрузки, который связан с изменением напорной характеристики, а в работе [13] проиллюстриро= вано значительное увеличение амплитуды коле= баний вибрационного горения в ЖРД даже при малых значениях феноменологического запазды= вания сгорания τ, а также при повышении волно= вого сопротивления Z камеры сгорания. Амплитуды колебаний, обусловленные образо= ванием восходящей ветви напорной характерис= тики, наоборот, при снижении значений Z умень= шаются и при достижении определенного критического значения Z * в дальнейшем стано= вятся неизменными по величине амплитуды [1]. Таким образом, рассматриваемые механизмы проявляют диаметрально противоположное изме= нение амплитуды автоколебаний при одинаковом изменении величины волнового сопротивления Z. Управление амплитудой колебаний вибрационного горения в режиме “поющего” пламени Хиггинса Используя алгоритм, изложенный в [8], были получены периодические решения системы уравнений (1), (2), возникающие в области вос= ходящей ветви напорной характеристики F(Q) как при τ = 0, так и с увеличением значений τ ≠ 0, что представлено на рис. 2. С увеличением варьируемого объема Vvar ем= кости дополнительного аккумулятора массы происходит деформация предельных циклов с уменьшением амплитуды соответствующих им автоколебаний, возникших из=за действия меха= низма запаздывания τ. Причем при условии ( )2 2 2a t t V C c = ρ ( )1 1 var 2 0 a V V C c + = ρ ( ) ( )1 2 a a aC C C= + ( ) ( ) a t dP С Q t P dt = − τ − ϕ ( ) ( )0 вхt t Q t Q t ρ − τ ≡ − τ ρ ( )0 вх выхa t dP С Q t Q dt ρ = − τ − ρ ( ) ( )0t tA Q gZ= ρ − ρ ( ) ( ) ( ) гу t t t TF Q H Q A Q h h h= + − − − ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 103 ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА Z ≤ Z , как уже выше отмечалось, предельные циклы преобразуются в форму, не зависящую как от дальнейшего снижения волнового соп= ротивления Z, так и от величин τ, меньших не= которого фиксированного значения τ, при котором предельный цикл стал неизменным по Z и τ. На рис. 3 представлен характер преобразова= ния наибольшего предельного цикла (рис. 2, в), образовавшегося при τ = τ, в неизменный как от дальнейшего снижения Z ≤ Z , так и не зави= сящего от значений τ ≤ τ* (рис. 3, в). Однако при увеличении запаздывания τ > τ* вновь проявляется действие механизма Л. Крокко, предельный цикл при этом увеличи= вается, и амплитуды соответствующих ему авто= колебаний возрастают, что изображено на рис. 4. Увеличение предельного цикла в данном слу= чае происходит из=за присоединения к нему участков характеристики F(Q), которые входят в его состав. Если при образовании предельных циклов (рис. 4 б, в) произвести дальнейшее сни= жение волнового сопротивления колебательного контура, то они также преобразуются в цикл, не ∀τ ∀τ 104 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА Рис. 2. Иллюстрация увеличения амплитуды колебаний феноменологического запаздывания с возрастанием: а – τ = 0 c; б – 0,0001 c; в – 0,0003 c. зависящий от уменьшений значений Z, который изображен на рис. 4, а. Полное подавление автоколебаний, соответ= ствующих неизменному предельному циклу, ко= торый также не зависит от значений τ ≤ τ, можно осуществить путем уменьшения интенсивности изменения dF/dQ в области восходящей ветви ха= рактеристики F(Q). Осуществление этого в каме= ре сгорания можно реализовать введением, соглас= но [12], вихревых гидравлических сопротивлений как функций расхода. На рис. 5 проиллюстриро= вано преобразование неизменного от снижения волнового сопротивления предельного цикла и его исчезновение при изменении напорной ха= рактеристики камеры горения с введением в нее вихревого сопротивления. Также представлен ха= рактер изменения автоколебаний, соответствую= щих предельным циклам. Для выравнивания завала характеристики нагнетателя и тем самым преобразования ее в монотонно убывающую зависимость по расходу, наоборот, вихревое сопротивление следует уменьшить. Это достигается уменьшением рабо= чего объема проточной части его межлопастных каналов рабочего колеса и отводящих диффузо= ров при уменьшении подачи, либо использова= нием других мероприятий, из=за которых умень= шается число каналов, находящихся в работе, например, [14]. Выводы 1. Теоретически решена задача управления автоколебаниями в модели вертикальной камеры горения воздухонагревателя доменной печи, и осуществлено их полное подавление, что позво= ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 105 ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА Рис. 3. Преобразование предельного цикла, возникшего при τ = τ = 0,0003 с, в неизменяемую форму при уменьшении волнового сопротивления Z: а – Са * = 1,415·10–9 м3/Па; б – Са = 2Са ; в – Са = 10Са . Рис. 4. Деформация предельного цикла с увеличением времени запаздывания τ ≥ τ, не зависящего от Z, при: а – τ = τ = 0,0003 c; б – 0,001 с; в – 0,0025 с. а б в а б в ляет обеспечить практически стационарный ре= жим горения. 2. Эффективность изменения термоакусти= ческих автоколебаний и соответствующих им предельных циклов проиллюстрированы постро= ением решений нелинейной системы уравнений с запаздывающим аргументом. ЛИТЕРАТУРА 1. Гоцуленко В.В. Совершенствование гене= раторов термоакустических колебаний и тепло= технологических агрегатов: Автореф. дис. канд. техн. наук: ИТТФ НАНУ. – К., 2005. 2. Ларинов В.М., Зарипов Р.Г. Автоколебания газа в установках с горением. – Казань.: Изд=во Казан. гос. техн. ун=та, 2003. – 227 с. 3. Беляев Н.М., Белик Н.П., Польшин А.В. Тер= моакустические колебания газожидкостных по= токов в сложных трубопроводах энергетических установок. – К. – Д.: Высшая школа, 1985. – 160 с. 4. Зукер Д., Глас П., Бенеке Г. Пульсации дав= ления в воздухонагревателях // Черные металлы (перевод с нем.), 1980. – № 22. – С. 20–26. 106 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА Рис. 5. Изменение предельного цикла в связи с деформацией напорной характеристики камеры горения при введении в нее вихревого сопротивления: а – kвихр = 0; б – 1,93 · 106; в – 4,824 · 106. ( ) ( ) 2 вихр= −t t tF Q F Q k Q 5. Шкляр Ф.Р., Малкин В.М., Каштанова С.П., Калугин Я.П., Советкин В.П. Доменные воздухо= нагреватели. – М.: Металлургия, 1982. – 176 с. 6. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение. – М.: Физматтиз, 1961. – 500 c. 7. Л. Крокко, Чжен Синь*и. Теория неустой= чивого горения в жидкостных ракетных двигате= лях. – М.: Изд=во иностр. лит., 1958. – 351 с. 8. Гоцуленко В.В. Математическое моделиро= вание снижения амплитуд колебаний вибраци= онного горения в крупных промышленных агре= гатах // Математическое моделирование, РАН. – 2005. – Т. 17, № 11. – С. 16–24. 9. Гоцуленко В.В., Гоцуленко В.Н. // 6=й Минский международный форум по тепло= и массообмену: Тез. докл. и сообщ. – Минск, 2008. Т. 1. – С. 320–321. 10. Артамонов К.И. Термогидроакустическая ус= тойчивость. – М.: Машиностроение, 1982. – 216 с. 11. Неустойчивость горения в ЖРД /Под ред. Д.Т. Харье и Ф.Г. Рирдона. – М.: Мир, 1975. – 869 с. 12. Гоцуленко В.В., Павленко А.М., Басок Б.И. Управление автоколебаниями при вибрацион= ном горении // Промышленная теплотехника. – 2005. – Т. 27, № 1. – С.9–13. 13. Гоцуленко В.В., Гоцуленко В.Н. Автоколеба= ния вибрационного горения в ЖРД, самовозбуж= дающиеся из=за феноменологического запаздыва= ния сгорания топлива, и их математическое моделирование // Математическое моделирование (Днепродзержинский государственный техничес= кий университет). – 2008. – № 1 (18). – С. 39–42. 14. Патент на корисну модель 29424. Одно= ступеневий відцентровий компресор/ Гоцулен= ко В.В., Гоцуленко В.Н. – Опубл. Бюл. 1, 2008. Получено 08.01.2009 г. ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 107 ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА

Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения

Institution

Similar Items