Компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха
Выполнен анализ возможностей организации различной степени смешения топлива и окислителя в горелочном устройстве стабилизаторного типа путем изменения расстояния между срывной кромкой стабилизатора и газоподающими отверстями. Виконано аналіз можливостей організації різного ступеня змішування палива...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2011
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60301 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха / Н.М. Фиалко, Л.С. Бутовский, В.Г. Прокопов, Ю.В. Шеренковский, Н.О. Меранова, С.А. Алёшко, Н.П. Полозенко // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 1. — С. 51-56. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859624239043182592 |
|---|---|
| author | Фиалко, Н.М. Бутовский, Л.С. Прокопов, В.Г. Шеренковский, Ю.В. Меранова, Н.О. Алёшко, С.А. Полозенко, Н.П. |
| author_facet | Фиалко, Н.М. Бутовский, Л.С. Прокопов, В.Г. Шеренковский, Ю.В. Меранова, Н.О. Алёшко, С.А. Полозенко, Н.П. |
| citation_txt | Компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха / Н.М. Фиалко, Л.С. Бутовский, В.Г. Прокопов, Ю.В. Шеренковский, Н.О. Меранова, С.А. Алёшко, Н.П. Полозенко // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 1. — С. 51-56. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Выполнен анализ возможностей организации различной степени смешения топлива и окислителя в горелочном устройстве стабилизаторного типа путем изменения расстояния между срывной кромкой стабилизатора и газоподающими отверстями.
Виконано аналіз можливостей організації різного ступеня змішування палива і окислювача в пальниковому пристрої стабілізаторного типу шляхом зміни відстані між зривною кромкою стабілізатора та газоподаючими отворами.
The arrangement capabilities of different fuel and oxidant mixture ratio in furnace device of stabilizer type by distance between stalling edge of the stabilizer and gas-intake inlet variation was analyzed.
|
| first_indexed | 2025-11-29T10:12:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №1 51
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
УДК 536.24:533
Фиалко Н.М.1,2, Бутовский Л.С.2, Прокопов В.Г.1, Шеренковский Ю.В.1, Меранова Н.О.1,
Алёшко С.А.1, Полозенко Н.П.1
1Институт технической теплофизики НАН Украины
2Национальный технический университет Украины «КПИ»
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ
В ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВАХ СТАБИЛИЗАТОРНОГО ТИПА С ПОДАЧЕЙ
ГАЗА ВНЕДРЕНИЕМ В СНОСЯЩИЙ ПОТОК ВОЗДУХА
Виконано аналіз можливо-
стей організації різного ступеня
змішування палива і окислю-
вача в пальниковому пристрої
стабілізаторного типу шляхом
зміни відстані між зривною кром-
кою стабілізатора та газоподаючи-
ми отворами.
Выполнен анализ возможно-
стей организации различной степе-
ни смешения топлива и окислителя
в горелочном устройстве стабилиза-
торного типа путем изменения рас-
стояния между срывной кромкой
стабилизатора и газоподающими от-
верстями.
The arrangement capabilities of
different fuel and oxidant mixture ratio
in furnace device of stabilizer type by
distance between stalling edge of the
stabilizer and gas-intake inlet variation
was analyzed.
с – объемная концентрация метана;
DK, RK – коэффициент диффузии и скорость
образования K-го компонента;
k – кинетическая энергия турбулентных
пульсаций;
N – число компонентов смеси;
Р – статическое давление;
ScK – число Шмидта K-го компонента; K
K
Sc
D
ν
= ;
ScT – турбулентное число Шмидта.
Sij – компоненты тензора скоростей деформа-
ций;
Uj – компоненты вектора скорости в направ-
лении xj;
wK – массовая концентрация K-го компонента;
xj – декартова координата, j = 1, 2, 3;
δij – символ Кронекера;
μ, μT – молекулярная и турбулентная динамичес-
кая вязкость;
νT – турбулентная кинематическая вязкость;
ρ – плотность среды;
ρK – парциальная массовая плотность K-го ком-
понента, ρK = ρ·wK;
τij – компоненты тензора напряжений.
Введение
Процессы распределения топлива в окис-
лителе и их смешение, происходящие в соб-
ственно горелочном устройстве, как известно,
в большой мере определяют основные характе-
ристики горения в топочном пространстве, та-
кие как длина факела, его форма, полнота сго-
рания топлива и пр. Именно соответствующая
организация смесеобразования в горелке при-
звана обеспечить требуемые параметры горе-
ния в топке котлоагрегата [1].
Данная работа посвящена исследованию
особенностей смесеобразования в горелочных
устройствах с микрофакельным сжиганием то-
плива в системе плоских стабилизаторов [2-4].
Горелочные устройства такого типа, основан-
ные на многоструйном принципе смесеобразо-
вания, открывают широкие возможности в пла-
не реализации необходимой степени смешения
топлива с окислителем в устье горелки. Ука-
занная степень смешения может варьироваться
в весьма широком диапазоне – от смеси, весь
объем которой находится в концентрационных
пределах воспламенения, до смеси, в которой
лишь локально обеспечивается концентрация,
необходимая для устойчивого горения. По ряду
соответствующих характеристик механизм
сжигания топлива, как очевидно, будет при-
ближаться в первом случае к кинетическому, во
втором – к диффузионному. В последней ситуа-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №152
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
ции процесс смешения топлива и окислителя
доминирующим образом реализуется уже вне
горелочного устройства в топочном простран-
стве, а в первой ситуации – в основном в преде-
лах горелки.
Таким образом, указанная возможность
управления процессом смешения топлива и
окислителя в горелочном устройстве является
средством организации требуемого механизма
сжигания топлива в топочном пространстве и
соответственно средством воздействия на раз-
личные характеристики процесса горения.
Постановка задачи и методика проведения
исследований
В настоящем исследовании рассматрива-
ются особенности организации различной сте-
пени смешения струй газа с воздухом в горе-
лочном устройстве струйно-стабилизаторного
типа (рис. 1). При этом особое внимание уделя-
ется анализу возможности регулирования ука-
занной степени смешения за счет изменения
расстояния L1 между срывной кромкой стаби-
лизатора и осью газоподающих отверстий.
Рис. 1. Схема организации микрофакельного сжигания газа
в горелочном устройстве струйно-стабилизаторного типа:
1 – плоский канал; 2 – стабилизаторы; 3 – газоподающие отверстия.
Математическая модель исследуемого про-
цесса включает в себя систему дифференци-
альных уравнений в частных производных,
которая в декартовой системе координат может
быть представлена в следующем виде:
( ) ( )i jj i
j i j
U U P
x x x
∂ τ∂ ρ ∂
= − +
∂ ∂ ∂
, i = 1 ,2, 3, (1)
( )
0j
j
U
x
∂ ρ
=
∂
, (2)
( )K j T K
j j K T j
U
x x Sc Sc x
∂ ρ ν ∂ρ∂ ν
= + ∂ ∂ ∂
, K = 1, 2,…N-1, (3)
где ( ) ( )22
3
n
i j T ij T ij
n
US k
x
∂
τ = µ +µ − µ +µ +ρ⋅ δ ∂
,
1
2
ji
ij
j i
UUS
x x
∂∂
= + ∂ ∂
.
В приведенных уравнениях суммирование
производится по повторяющемуся индексу.
Для замыкания системы уравнений (1) – (3)
применялась k-ε модель турбулентности в мо-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №1 53
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
дификации RNG. Обоснование использования
этой модели проводилось путем сопоставления
результатов расчетов с данными натурных экс-
периментов.
Численная реализация рассматриваемой
задачи осуществлялась с применением про-
граммного комплекса Fluent. При этом ввиду
регулярности расположения стабилизаторов
в стабилизаторной решетке и газоподающих
отверстий на стабилизаторах (рис. 1) при ма-
тематическом моделировании рассматривался
лишь характерный элемент изучаемой системы
длиной LK, равной длине канала, высотой H/2,
составляющей половину шага между стабили-
заторами и глубиной S/2, равной половине шага
между газоподающими отверстиями.
На ограничивающих поверхностях выде-
ленного характерного элемента принимались
следующие граничные условия. Во входном се-
чении задавалась скорость воздуха В
ВХU и его
степень турбулентности В
ВХTu . В поперечном
сечении газоподающего отверстия на боковой
стенке стабилизатора заданными являлись ско-
рость газа Г
ВХV и степень турбулентности Г
ВХTu .
На остальной поверхности стенок стабилиза-
тора принимались условия прилипания и не-
проницаемости. На боковых поверхностях
выделенного элемента задавались условия сим-
метрии, а в его выходном сечении – «мягкие»
граничные условия, отвечающие равенству
нулю производных по нормали к границе от за-
висимых переменных.
Результаты исследований и их анализ
Ниже приводятся результаты исследова-
ний по анализу возможности регулирования
степени смешения газа с воздухом в горелоч-
ном устройстве рассматриваемого типа за
счет изменения расстояния L1 между срывной
кромкой стабилизатора и осью газоподающих
отверстий. На рис. 2 - 4 в качестве примера пред-
ставлены данные компьютерного моделирова-
ния, отвечающие разным значениям величины
L1: L1 = 0,12 м, 0,08 м, 0,025 м. Прочие исхо-
дные параметры для всех значений L1 при рас-
четах принимались следующими: ВСТ = 0,03 м;
LСТ = 0,22 м; LК = 0,57 м; LП = 0,05 м; kf = 0,3;
d = 3·10-3 м; S/d = 6,4; В
ВХU = 7,0 м/с; Г
ВХV = 100,9 м/с,
теплофизические свойства газа и воздуха опре-
делялись при температуре 27 ºС.
Указанные на рис. 2 - 4 и далее зоны I, II от-
вечают подобластям, характеризующимся по-
вышенным содержанием воздуха или топлива
соответственно. Здесь в первой зоне объемная
концентрация метана меньше нижнего концен-
трационного предела воспламенения с < 0,0523,
а во второй – превышает верхний концентраци-
онный предел с > 0,15. В зоне III величина с
находится в концентрационных пределах вос-
пламенения (0,0523 ≤ с ≤ 0,15).
Как видно из рис. 2, а; 3, а; 4, а при L1 = 0,12 м
реализуется весьма высокая степень смешения
газовой струи с воздухом, так что в поперечном
сечении, проходящем через затупленную за-
днюю кромку стабилизатора, практически вся
смесь находится в концентрационных преде-
лах воспламенения. И соответственно в этих
условиях возможно осуществление механизма
сжигания топлива, близкого к кинетическому.
Картина смешения топлива и окислителя суще-
ственно меняется при L1 = 0,08 м. В данном слу-
чае лишь часть указанного сечения занята сме-
сью, отвечающей концентрационным пределам
воспламенения. При этом важно подчеркнуть,
что в зоне циркуляционного течения в ближнем
следе стабилизатора, тем не менее, обеспечи-
ваются требуемые концентрационные пределы
горючей смеси и, тем самым, создаются усло-
вия, необходимые для стабилизации пламени.
Что же касается особенности смесеобразо-
вания при L1 = 0,025 м, то согласно полученным
данным здесь в зоне циркуляции не обеспечи-
вается требуемая для устойчивого горения сте-
пень смешения газа с воздухом.
Таким образом, при L1 = 0,08 м значитель-
ная доля процесса смешения будет перенесена
в топочное пространство и механизм сжигания
топлива будет приобретать также и характе-
ристики диффузионного горения. В случае же
L1 = 0,025 м, как очевидно, процесс горения
вообще не может быть реализован ввиду от-
сутствия необходимых условий для стабили-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №154
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
Рис. 2. Поля объемной концентрации метана в продольном сечении канала,
проходящем через центр газоподающего отверстия, для различных значений
расстояния L1: а) L1 = 0,12 м; б) L1 = 0,08 м; в) L1 = 0,025 м.
Рис. 3. Поля объемной концентрации метана в продольном сечении канала,
проходящем посередине между газоподающими отверстиями, для различных
значений расстояния L1: а) L1 = 0,12 м; б) L1 = 0,08 м; в) L1 = 0,025 м.
зации пламени. Однако, как свидетельствуют
результаты проведенных исследований, пред-
ставленные на рис. 5, и при малых значениях
L1 (L1 = 0,025 м) все же оказывается возмож-
ным обеспечение требуемой степени смеше-
ния топлива и окислителя в зоне циркуляции
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №1 55
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
Рис. 5. Поля объемной концентрации метана в продольном сечении канала, проходящем
через центр газоподающего отверстия, для различных значений диаметра газоподающих
отверстий d: а) d = 2·10-3 м; б) d = 3·10-3 м.
Рис. 4. Поля объемной концентрации метана в поперечном сечении, проходящем
через затупленную заднюю кромку стабилизатора, для различных значений
расстояния L1: а) L1 = 0,12 м; б) L1 = 0,08 м; в) L1 = 0,025 м.
за стабилизатором. Это может быть достигнуто
благодаря уменьшению только диаметра газо-
подающих отверстий и относительного шага их
расположения при прочих неизменных услови-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №156
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА
ях. Так, если при S/d = 6,0 и d = 3·10-3 м в зоне
циркуляции имеет место избыток воздуха и не-
обходимые концентрационные пределы смеси
не обеспечиваются, то уже при d = 2·10-3 м и
той же величине относительного шага S/d си-
туация меняется, и в центральной части зоны
циркуляции реализуется необходимая степень
смешения газа с воздухом. Очевидно, в этом
случае основная часть процесса смесеобразо-
вания выносится в топочное пространство и
соответственно механизм горения оказывается
близким к диффузионному.
Выполненные исследования показали так-
же, что для величины диаметра газоподающих
отверстий, равного 2·10-3 м, благоприятная кар-
тина смесеобразования в зоне циркуляцион-
ного течения за стабилизатором сохраняется и
при дальнейшем уменьшении относительного
шага S/d.
Выводы
Приведены результаты исследований за-
кономерностей смесеобразования топлива и
окислителя в горелочных устройствах стаби-
лизаторного типа. На основе компьютерного
моделирования выполнен анализ возможно-
стей регулирования степени смешения газа с
воздухом в устье горелки путем варьирования
расстояния L1 между затупленной задней кром-
кой стабилизатора и осью газоподающих от-
верстий.
Установлено, что на выходе из межстабили-
заторного канала при достаточно больших зна-
чениях L1 практически вся смесь находится в
концентрационных пределах воспламенения. С
уменьшением L1 степень смешения газа с возду-
хом снижается, хотя при этом и обеспечивается
требуемое для устойчивого горения состояние
смеси в закормовой области стабилизатора.
Показано, что при сравнительно малых
величинах L1 необходимая степень смешения
топлива и окислителя в зоне циркуляции за
стабилизатором может быть достигнута при
уменьшении диаметра газоподающих отвер-
стий и шагов их расположения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов Ю.В. Газогорелочные устрой-
ства. – М.: Недра, 1972. – 376 с.
2. Фиалко Н.М., Бутовский Л.С., Проко-
пов В.Г., Грановская Е.А., Шеренковский Ю.В.,
Алёшко С.А., Коханенко П.С. Особенности об-
текания плоских стабилизаторов ограничен-
ным потоком // Пром. теплотехника. – 2010,
№5.– С. 26-33.
3. Фиалко Н.М., Бутовский Л.С., Проко-
пов В.Г., Шеренковский Ю.В., Меранова Н.О.,
Алёшко С.А., Полозенко Н.П. Моделирование
структуры течения изотермического потока в
эшелонированной решетке плоских стабилиза-
торов пламени // Пром. теплотехника. – 2010,
№6. – С.28-36.
4. Бутовский Л.С., Грановская Е.А., Фиалко
Н.М. Устойчивость факела за плоским стабили-
затором при подаче газа внедрением в воздуш-
ный поток // Технологические системы. – 2010.
– Т.52, №3. – С.72–78.
Получено 09.11.2010 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60301 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T10:12:36Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Фиалко, Н.М. Бутовский, Л.С. Прокопов, В.Г. Шеренковский, Ю.В. Меранова, Н.О. Алёшко, С.А. Полозенко, Н.П. 2014-04-13T20:16:56Z 2014-04-13T20:16:56Z 2011 Компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха / Н.М. Фиалко, Л.С. Бутовский, В.Г. Прокопов, Ю.В. Шеренковский, Н.О. Меранова, С.А. Алёшко, Н.П. Полозенко // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 1. — С. 51-56. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60301 536.24:533 Выполнен анализ возможностей организации различной степени смешения топлива и окислителя в горелочном устройстве стабилизаторного типа путем изменения расстояния между срывной кромкой стабилизатора и газоподающими отверстями. Виконано аналіз можливостей організації різного ступеня змішування палива і окислювача в пальниковому пристрої стабілізаторного типу шляхом зміни відстані між зривною кромкою стабілізатора та газоподаючими отворами. The arrangement capabilities of different fuel and oxidant mixture ratio in furnace device of stabilizer type by distance between stalling edge of the stabilizer and gas-intake inlet variation was analyzed. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Использование и сжигание топлива Компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха The computer modeling of mixture formation processes in the furnace device of stabilizer type with gas supply by penetration into cocurrent air flow Article published earlier |
| spellingShingle | Компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха Фиалко, Н.М. Бутовский, Л.С. Прокопов, В.Г. Шеренковский, Ю.В. Меранова, Н.О. Алёшко, С.А. Полозенко, Н.П. Использование и сжигание топлива |
| title | Компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха |
| title_alt | The computer modeling of mixture formation processes in the furnace device of stabilizer type with gas supply by penetration into cocurrent air flow |
| title_full | Компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха |
| title_fullStr | Компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха |
| title_full_unstemmed | Компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха |
| title_short | Компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха |
| title_sort | компьютерное моделирование процесса смесеобразования в горелочных устройствах стабилизаторного типа с подачей газа внедрением в сносящий поток воздуха |
| topic | Использование и сжигание топлива |
| topic_facet | Использование и сжигание топлива |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60301 |
| work_keys_str_mv | AT fialkonm kompʹûternoemodelirovanieprocessasmeseobrazovaniâvgoreločnyhustroistvahstabilizatornogotipaspodačeigazavnedreniemvsnosâŝiipotokvozduha AT butovskiils kompʹûternoemodelirovanieprocessasmeseobrazovaniâvgoreločnyhustroistvahstabilizatornogotipaspodačeigazavnedreniemvsnosâŝiipotokvozduha AT prokopovvg kompʹûternoemodelirovanieprocessasmeseobrazovaniâvgoreločnyhustroistvahstabilizatornogotipaspodačeigazavnedreniemvsnosâŝiipotokvozduha AT šerenkovskiiûv kompʹûternoemodelirovanieprocessasmeseobrazovaniâvgoreločnyhustroistvahstabilizatornogotipaspodačeigazavnedreniemvsnosâŝiipotokvozduha AT meranovano kompʹûternoemodelirovanieprocessasmeseobrazovaniâvgoreločnyhustroistvahstabilizatornogotipaspodačeigazavnedreniemvsnosâŝiipotokvozduha AT aleškosa kompʹûternoemodelirovanieprocessasmeseobrazovaniâvgoreločnyhustroistvahstabilizatornogotipaspodačeigazavnedreniemvsnosâŝiipotokvozduha AT polozenkonp kompʹûternoemodelirovanieprocessasmeseobrazovaniâvgoreločnyhustroistvahstabilizatornogotipaspodačeigazavnedreniemvsnosâŝiipotokvozduha AT fialkonm thecomputermodelingofmixtureformationprocessesinthefurnacedeviceofstabilizertypewithgassupplybypenetrationintococurrentairflow AT butovskiils thecomputermodelingofmixtureformationprocessesinthefurnacedeviceofstabilizertypewithgassupplybypenetrationintococurrentairflow AT prokopovvg thecomputermodelingofmixtureformationprocessesinthefurnacedeviceofstabilizertypewithgassupplybypenetrationintococurrentairflow AT šerenkovskiiûv thecomputermodelingofmixtureformationprocessesinthefurnacedeviceofstabilizertypewithgassupplybypenetrationintococurrentairflow AT meranovano thecomputermodelingofmixtureformationprocessesinthefurnacedeviceofstabilizertypewithgassupplybypenetrationintococurrentairflow AT aleškosa thecomputermodelingofmixtureformationprocessesinthefurnacedeviceofstabilizertypewithgassupplybypenetrationintococurrentairflow AT polozenkonp thecomputermodelingofmixtureformationprocessesinthefurnacedeviceofstabilizertypewithgassupplybypenetrationintococurrentairflow |