Внедрение: 2018 г.

Группа ученых применила модуль E14‑440 в экспериментальном исследовании пульсационных характеристик турбулентного закрученного потока в модели перспективного топочного устройства, использующего четырёхвихревую схему сжигания пылеугольного топлива [1].

Объектом исследования является изотермическая лабораторная модель четырёхвихревой топки (рисунки 1 и 2), выполненная из оптически прозрачного оргстекла для проведения измерений в рамках современных бесконтактных методов диагностики потоков.

Рисунок 1. Четырёхвихревая схема сжигания угольного топлива: 1 – центральные сопла; 2 – боковые сопла.

Рисунок 2. Схема лабораторной модели четырёхвихревой топки: 1 – центральные сопла; 2 – боковые сопла. Модель изготовлена из оптически прозрачного оргстекла. На боковых стенках в три яруса расположены по два диагонально направленных сопла под углом 6°, оси боковых сопел направлены к центру топки. На фронтальной и задней стенке установлены также в три яруса (на отметках расположения боковых сопел) по два центральных сопла, направленных в сторону боковых стенок под углом 20°.

Исследования проводились на экспериментальном стенде, основными элементами которого являются (рисунок 3): автоматизированный комплекс регулирования и подачи сжатого воздуха, изотермическая лабораторная модель четырёхвихревой топки, контролирующие приборы. Стенд подключен к сети подачи сжатого воздуха и системе вентиляции, оснащен устройством засева потока трассерами – микрокаплями растительного масла, генерируемого с использованием сопла Ласкина.

Рисунок 3. Схема экспериментального стенда с четырёхвихревой топкой: 1 – магистраль подачи сжатого воздуха, 2 – запорный кран, 3 – запорно-регулирующий клапан с электроприводом, 4 – преобразователь расхода, 5 – шкаф управления, 6 – манометры, 7 – устройство засева потока (сопло Ласкина), 8 – модель четырёхвихревой топки, 9 – вентиляция, 10 – PIV‑система, 11 – компьютер.

Исследование пульсаций скорости потока в модели четырёхвихревой топки осуществлялось методом цифровой трассерной визуализации PIV (particle image velocimetry). Измерение поля мгновенной скорости потока в заданном сечении основано на измерении перемещения частиц примеси (трассеров), находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени. Определение перемещения основано на применении корреляционных методов к трассерным картинам, с использованием регулярного разбиения на элементарные области.

При проведении экспериментов использовалась PIV‑система «Полис», позволяющая измерять две компоненты вектора скорости одновременно во всем исследуемом сечении. Измерительный комплекс включает в себя: двойной импульсный Nd:YAG лазер QuantelEVG; объектив для формирования лазерного ножа; CCD камеру Видеоскан 4021; широкоугольный объектив Nikon 28 mm F/2.8 D; синхронизирующий процессор; персональный компьютер с программным обеспечением ActualFlow и пакетом PIV Kit; крепежный комплект на основе элементов Newport. Для перемещения измерительной системы использовалось координатно-перемещающее устройство, позволяющее позиционировать измерительную плоскость внутри модели топки.

Измерения пульсаций давления выполнены анализатором шума Bruel&Kjaer 2250. Датчик помещался в измерительный объем при помощи отборника – тонкостенной металлической трубки. Сигнал обрабатывался с помощью АЦП L‑CARD E14‑440. Измерения проводились в двух точках: вблизи условного центра локализации вихревого ядра и в области с максимальным значением пульсаций скорости. 

На рисунке 4 представлено векторное поле скорости, полученное методом PIV в горизонтальном сечении, проходящем через центр среднего яруса сопел, и поля пульсаций z‑компоненты скорости (слева) и x‑компоненты скорости (справа). Полученные результаты демонстрируют сложную структуру течения в исследуемой модели топки, состоящую из четырех сопряженных вихрей. Струи, выходящие из сопел, расположенных на боковых стенках, на расстоянии трех калибров сопла интенсивно перемешиваются, что подтверждается высоким уровнем пульсаций скорости в этой области. На практике это будет иметь большое значение, так как за счет лучшего перемешивания с реагирующим горящим потоком свежей топливно-воздушной смеси обеспечивается её эффективное воспламенение и более полное сжигание. Высокое значение пульсаций скорости также позволяет добиться заполнения топочного пространства реагирующей смесью, тем самым добиться равномерного распределения температуры и тепловых потоков во всем объеме топки, понизить среднее значение температуры, тем самым существенно понизить количество вредных выбросов, таких как NO_x.

Рисунок 4. Распределение пульсаций z‑компоненты (а) и x‑компоненты (б) скорости при среднерасходной скорости 3 и 4 м/с через центральные и боковые сопла соответственно.

На рисунке 5 представлены спектры пульсаций давления вблизи центра вихревого ядра в нижнем ярусе для различных режимов. Амплитуда представленных в спектре пиков достаточно мала, а их положение не зависит от расходов, что характеризует эти пики как акустические шумы и резонансы. Тем самым заметных пульсаций давления с частотой, зависящей от расхода, которые могли бы свидетельствовать о наличии в потоке нестационарных когерентных вихревых структур, не обнаружено.

Рисунок 5. Спектры пульсаций давления вблизи условного центра вихревого ядра при различных среднерасходных скоростях через центральные и боковые сопла, соответственно: а) 2 и 4; б) 3 и 4; в) 3 и 5; г) 2 и 6 м/с.

Результаты исследований пульсаций давления позволяют сделать вывод об отсутствии нестационарных когерентных структур, что также является положительным свойством исследуемой модели вихревой топки, для которой не характерна прецессия вихревого ядра. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для верификации математических моделей, применяемых при численных расчетах процессов тепло- и массопереноса в полномасштабном котельном оборудовании.

Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ (проект № 17‑308‑50016_мол_нр) и Стипендии президента (СП‑400.2018.1).

Источник:
Шадрин Е.Ю., Ануфриев И.С., Глушков Д.О. Экспериментальное исследование пульсационных характеристик закрученного потока в модели четырёхвихревой топки // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2018. – Т. 329, № 10. – С. 49‑56.

Разработчик: Шадрин Е.Ю., Ануфриев И.С. (Институт теплофизики СО РАН), Глушков Д.О. (Национальный исслед-ий Томский политех. университет)