Исследование турбулентных пятен в пламени диффузионного факела

Внедрение: 2019 г.

В настоящей статье [1] смесь водорода с CO₂ и пропан-воздушные смеси используются в качестве топлива. Смеси H₂/CO₂ можно рассматривать как компромиссное применение CO₂ в водородной энергетике: «повторное применение» продукта использования природного газа для снижения температуры сгорания водорода и, соответственно, уровня выбросов NOx. В данной работе авторы исследовали влияние системы турбулентных пятен на ламинарный диффузионный шлейф. Измерения распределений пространственно-временных корреляций колебаний температуры были направлены на получение данных, характеризующих развитие тепловых возмущений пламени при появлении турбулентных пятен в потоке реагента.

В работе исследуется диффузионная горелка, которая образуется, когда круглая струя топлива течет вертикально вверх в неподвижный воздух. Число Рейнольдса в центральной трубе поддерживалось в диапазоне Re = 1800–7500. В этом случае в трубе начался ламинарно-турбулентный переход. 

Рисунок 1. Установка для измерения «холодного потока»: 1 – компьютер; 2 – ЦАП / АЦП; 3 – анемометр с горячей проволокой; 4 – воздушный бак; 5 – цифровой регулятор расхода; 6 – управляемый клапан; 7 – трубка диаметром 5 мм; 8 – анемометрический зонд с горячей проволокой.

Для изучения реакции струйного пламени на появление в струйном потоке турбулентных пятен была разработана экспериментальная установка (рисунок 1) . На рисунке стрелками обозначены пути газа. Модуль E14‑140 работал в двух режимах: в качестве АЦП для сбора массива напряжений от теплового анемометра и в качестве ЦАП для подачи управляющего прямоугольного сигнала на клапан (6), который, в свою очередь, использовался в качестве источника искусственных помех. Зонд анемометра с горячей проволокой располагался на геометрической оси трубки. Управление клапаном (6) путем уменьшения в течение заданного времени воздушного потока в трубке через фиксированные интервалы позволяло вносить контролируемые возмущения в поток.

Для получения пространственно-временных корреляционных пульсаций температуры в пламени был изготовлен автоматизированный экспериментальный испытательный стенд, схема которого приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Автоматическая экспериментальная установка: 1 – компьютер; 2 – АЦП; 3 – ЦАП; 4 – цифровой расходомер; 5 – контролируемый клапан; 6 – регулятор расхода; 7, 8 – термопары; 9 – газовые баллоны; 10 – горелка. 

Работа установки основана на программно-управляемых аналого-цифровых (АЦП LTR114) и цифроаналоговых (ЦАП E14‑140) преобразователях, для которых был написан на C++ программный код. АЦП используется для измерения двухточечных температурных корреляций с использованием термопар платина – платина – родий, одна из которых (8) жестко закреплена на горелке (10) и расположена в слое смешения, а другая (7) могла двигаться свободно. С помощью двух термопар регистрировались изменения пространственно-временных масштабов температуры пламени в моменты генерации вихревых структур. Измерение температурных корреляций от точки к точке требует достаточно высокого разрешения и минимального времени выборки между каналами, поэтому был выбран 24‑разрядный АЦП LTR114 с максимальной частотой преобразования 4 кГц.

Источником искусственных помех является клапан (5) K000‑303‑K12 с минимальным временем срабатывания затвора 10 мс. С помощью ЦАП (3) на клапан подавался импульсный электрический сигнал с регулируемой длительностью. Расход и соотношение топлива/окислителя и разбавителя из цилиндров (9) регулировались с помощью цифровых расходомеров (4, 6). В экспериментах использовалась коаксиальная струя.

Для определения пространственных характеристик вихревых структур в пламени использовалась методика двухточечных измерений термопарами. На рисунке 3 (слева) показана корреляционная зависимость при разных (на расстоянии от выхода из трубки) положениях подвижной термопары, которая располагалась на оси горелки. Топливо подавалось через центральную трубу, Re = 1640. Как видно, процесс коррелирует, и когда движущаяся термопара удаляется от жестко фиксированной, детерминизм событий уменьшается. 

Рисунок 3. Пространственно-временная корреляционная зависимость. Расход топлива в кольцевом канале при Re = 1640. Поток воздуха вдоль оси при Re = 3600.

На рисунке 4 показаны пространственно-временные корреляции r(t) колебаний температуры на разных расстояниях между термопарами. 

Рисунок 4. Пространственно-временная корреляционная зависимость. Подвижная термопара на оси горелки (слева), подвижная термопара на расстоянии 1 мм от оси горелки (справа).

Источник:
V. Lemanov et al 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1382 012058.

Разработчик: Леманов В.В., Лукашов В.В., Шаров К.А., Незавитин Д.П. (Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск)