Анотація до роботи:

Зайцев О.М. Інтенсифікація процесів взаємодії обертових газових потоків в енергозберігаючих технологіях теплоенергетики. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук, спеціальність 05.14.06 «Теоретична теплофізика та промислова теплоенергетика», Одеський національний політехнічний університет, м.Одеса, 2004 р.

Теоретично обґрунтована технічна можливість створення системи децентралізованого вироблення тепла на основі взаємодіючих обертових потоків, в елементах якої аеродинамічна обстановка є змінюваною, що дозволяє суттево підвищити ефективність використання паливно-енергетичних ресурсів. Виявлено, що причиною знищення пульсацій ПВЯ є його перехід від обертання як твердого тіла до обертання за законом вільного вихору, що супроводжується розщепленням вихрового ядра на декілька ядер, прецесуючих з меншою інтенсивністю. Отримано аналітичні залежності для визначення сили, яка індуцується ПВЯ в обертовому потоці газу при наявності зворотних струмів, швидкості в закрученому потоці від прецесії вихрового ядра, часу, коефіцієнта в'язкості і частоти обертання потоку і залежність ступеня крутки потоку газу від частоти коливань ПВЯ, витрати газу та конструктивних параметрів в умовах стійкості закрученого потоку газу. Також розроблені теоретичні моделі різних типів взаємодії обертових газових струменів при наявності зони зворотних струмів і, з урахуванням впливу на результуючий потік ПВЯ.

Запропоновані способи інтенсифікації передачі тепла в камерах згоряння, локалізації теплового факелу при зварюванні в захисному газі, плазменно-дугового різання, конструкції пристрою для викиду газів, пилогазоприймача, скрубера, апарата для очищення повітря, батарейного циклона. Техніко-економічний аналіз запропонованих засобів показав економію в 4,1 м³ газу на кожен кВт використовуваній потужності системи за опалювальний період, а строк окупності складає 5,5 років.

В дисертаційній роботі розроблені теоретично обґрунтовані науково-технічні принципи створення, аналізу та ефективного використання в теплоенергетиці нового класу процесів фізичної взаємодії обертових газових потоків з прецесуючим вихровим ядром, що дозволяє розвязати важливу прикладну проблему впровадження енергозберігаючих технологий в теплогенеруючих системах децентралізованого вироблення тепла малої потужності, в елементах яких аеродинамічні характеристики є змінюваними.

Отримані наукові результати базуються на аналізі розроблених математичних моделей і експериментальних даних руху обертового потоку з ПВЯ та різних типах взаємодії закручених газових струмінів та іх стійкості.

У відповідності з метою роботи були одержані наступні результати:

1. В теорії еволюції турбулентного обертового потоку вперше виявлено, що причиною гасіння пульсацій ПВЯ є перехід його від обертання як твердого тіла до обертання за законом вільного вихру, що викликає розщеплення останнього на декілька прецесуючих вихрових ядер з меншою інтенсивністю, а частота коливань іх наближається до частоти турбулентних пульсацій у турбулентному струмені. Дане положення отримано при моделюванні руху прецесуючого вихрового ядра і підтверджується наступними результатами:

• вихрове ядро розташовується безпосередньо поблизу зони зворотних струмів і має максимум аксіальної швидкості, а по мірі руху вихрового ядра відбувається зменшення аксіальної і збільшення тангенціальної складових швидкості, при цьому саме ядро збільшується в розмірах, що при проведенні аналогії з утворенням вихорів при обтіканні потоком газу твердих тіл, дозволяє припустити надалі його дроблення на декілька вихрових ядер;

• нутації вихрового ядра викликаються коливаннями його аксіальної швидкості і створюють додатковий градієнт тиску, а область їх існування обмежена зовнішньою границею потока і зоною зворотних струмів закрученого потоку;

• радіальна швидкість різко падає в початковий період часу (до 30 с), а далі переходить у загасаючі коливання, що викликається нутацією вихрового ядра при його прецесії в обертовому потоці газу; ріст додаткового градієнту тиску з часом свідчить про зміну осереднього профілю швидкості внаслідок коливань вихрового ядра, що рухається в обертовому потоці;

• у поперечному перерізі обертового струменя спостерігається досягнення максимуму амплітуди коливань швидкості в області розташування вихрового ядра, що свідчить про обмеження поширення поперечних хвиль, створюваних прецесуючим вихровим ядром. У той же час у подовжньому напрямку, починаючи від границі зони зворотних струмів і до зовнішнього прикордонного закрученого потоку відбувається збільшення амплітуди коливань швидкості;

• залежність амплітуди від часу характеризується гармонійним характером, а період коливань швидкості закрученого потоку дорівнює 60 с.

2. На основі порівняльного аналізу процесів стійкості в обертових потоках і обертових твердих тілах вперше отримана теоретична залежність ступеня крутки потоку від витрати газу, частоти коливань вихрового ядра і конструктивних параметрів в умовах стійкості самого закрученого потоку, яка показала, що ступінь крутки потоку прямо пропорційна частоті коливань прецесуючого вихрового ядра і протилежно пропорційна квадрату масової витрати газу; тобто забезпечення стійкості закрученого потоку при варіюванні витрати вимагає відповідної зміни ступеня крутки чи впливу на частоту коливань прецесуючого вихрового ядра.

3. Розроблені аналітичні моделі взаємодіючих обертових потоків при наявності в них ПВЯ на основі теорії шляху змішання Прандтля дозволили встановити, що:

• при взаємодії паралельних обертових потоків існує періодичність коливань результуючої швидкості (t_пер=60 с), подібна до періодичності одиночного струменя, але з більшою амплітудою коливань швидкості, при цьому має місце збіг фаз коливань, що виникають в обертових струменях внаслідок прецесії і нутації вихрових ядер при зсуві вісей струменів у горизонтальній площині на відстань кратну 2 діаметрам струменів, крім того, швидкості взаємодіючих обертових струменів складаються не по всій довжині, а тільки на короткої ділянці, де відбувається збіг зовнішніх шарів;

• при змішанні двох вільних обертових струменів, спрямованих під кутом що сходиться, максимуми швидкостей зростають зі збільшенням кута між вісями взаємодіючих обертових струменів; при цьому, на відміну від поля швидкості в паралельних струменях, максимум швидкості, що утвориться, у результаті взаємодії струменів зі збільшенням кута має меншу величину, внаслідок зменшення довжини шляхів взаємодії струменів;

• аналіз результуючої швидкості двох зустрічних, зміщених у горизонтальній площині струменів, що обертаються показав, що швидкість у поперечному перерізі в точках витікання струменів змінюється подібна до одиночного струменя до середини відстані між струменями, а після відповідає профілю швидкості при взаємодії зустрічних обертових потоків; при цьому поле швидкостей розшарується у залежності від величини зсуву, що породжується зміною області взаємодії струменів;

• збільшення швидкості відбувається в більш широкій області у порівнянні з іншими видами злиття обертових струменів і на всій відстані між зустрічно- зміщеними в горизонтальній площині взаємодіючими струменями, а відзначена еволюція піка швидкості, викликаного додаванням швидкостей взаємодіючих струменів, визначає оптимальне співвідношення l_см/l_р =0,25 між величиною зсуву струменів у горизонтальній площині і відстанню між точками їхнього витікання.

4. Отримано теоретичну залежність від масової витрати і максимальної осьової швидкості повітря в області стійкої рівноваги для умов виключення резонансу при взаємодії двох обертових потоків із прецесуючими вихровими ядрами, що дозволяє забезпечити роботу теплоенергетичного обладнання в широкому діапазоні навантажень.

5. Експериментальні дослідження вільного ізотермічного обертового потоку з розвиненою зоною зворотних струмів і прецесуючим вихровим ядром показали, що розподіли радіальної і тангенціальної складових швидкості при видаленні від зрізу патрубка мають максимум, що дзеркально змінює своє положення що-до центральної вісі з кроком рівним 1 калібру внаслідок впливу вихрового ядра на структуру потоку; при цьому аксіальна складова характеризується наявністю на початковій ділянці позитивних і негативних швидкостей, поділ яких відпо-відає зовнішній і внутрішній частині обертового струменя, а зміна її по довжині має чотири ділянки, що обумовлено наявністю зони зворотних струмів.

6. Аналіз результатів експериментальних досліджень швидкості при паралельній взаємодії обертових струменів виявив, що радіальна складова швидкості має три максимуми; при цьому взаємодія рівнобіжних обертових потоків відбувається на вузькій ділянці, рівній ширині зовнішнього шару струменя, а поява симетричних повторних максимумів тангенціальної швид-кості відбувається внаслідок сумарної дії зовнішньої частини струменя і ПВЯ.

7. Дослідження швидкості при різних кутах злиття струменів показали, що розподіл радіальної швидкості має максимум на відстані двох калібрів; при цьому збільшення кута сходження обертових струменів відокремлює максимум радіальної швидкості від периферійної області зоною зворотних струмів, що викликано збільшенням кута «атаки» струменів при їх взаємодії, що доводиться аналогією профілів радіальної швидкості в паралельних струменях і що сходяться під кутом у 45. Тангенціальна і аксіальна складові швидкості по абсолютній величині менше, ніж при взаємодії рівнобіжних обертових потоків, але сама область взаємодії при кутах у 45 і 60 більш протяжна.

8. Експериментальні дослідження поля швидкостей, що утворюється при взаємодії зустрічних, зміщених у горизонтальній площині обертових струменів показали, що:

• зсув вісей струменів збільшує область взаємодії радіальної складової швидкості, а розташування максимумів і мінімумів у різних перетинах виявило наявність перемежованих областей взаємодії і витиснення струменів один одним;

• збільшення тангенціальної швидкості починається зі зсуву осей струменів у 1 діаметр, при цьому отриманий розподіл якісно збігається з розподілом при взаємодії зустрічних, одноїменно обертових потоків, що можливо при взаємодії внутрішніх до зони зворотних струмів шарів одного струменя з зовнішніми шарами іншої;

• область, де відбувається додавання швидкостей, значно перевищує аналогічні області будь-яких розглянутих раніше видів взаємодії обертових струменів.

9. Дослідження коливань швидкості вільного ізотермічного закрученого струменя з прецесуючим вихровим ядром показали, що на ділянці, де існує зона зворотних струмів, коливання радіальної і тангенціальної складових швидкості спостерігаються в місцях їхніх максимальних значень — у периферійних шарах струменя, а після зони зворотних струмів відбувається збільшення амплітуди коливань швидкості відносно середніх її значень, але сталість абсолютної величини коливань підтверджує припущення про наявність нутації прецесуючого вихрового ядра, як механізму утворення коливань. При цьому найбільш нестійкою областю у вільному закрученому струмені, відповідає зона на відстані 3, 4 калібрів від початку струменя, де розташовується максимум амплітуди коливань аксіальної складової швидкості, а період коливань швидкості складає 60 с, що підтверджує дані теоретичних досліджень.

10. Результати експериментальних досліджень коливань швидкості в обертових зустрічних, зміщених у горизонтальній площині струменях показали, що коливання тангенціальної складової швидкості виникають у центральній частині вже при зсуві вісей на 1 діаметр і зростають зі збільшенням міжвісьової відстані, що викликається зіткненням взаємодіючих шарів у нижній частині результуючої течії і додаванням коливань у прилягаючих до них областях, при цьому період коливань практично постійний і дорівнює 60 с.

11. Розроблено комплекс програм, що дозволяє одержати дані про стійкість окремих обертових потоків, величину сили, що виникає при прецесії вихрового ядра, впливу взаємодії обертових струменів на стійкість створюваної структури.

12. Запропоновано нові способи інтенсифікації передачі тепла в камерах згорання, що полягає у взаємодії двох зустрічних обертових потоків, зсув яких відносно один до одного формує необхідне результуюче поле швидкостей у залежності від конфігурації топкової камери. Техніко-економічний аналіз запропонованого способу управління аеродинамічною обстановкою в камері згорання показав, економію в 4,1 м³ газу на кожен кВт використаної потужності за опалювальний період, а термін окупності при впровадженні заходів складає 5,5 років.