Неустойчивость горения - это физическое явление, происходящее в реагирующем потоке (например, пламени ), в котором некоторые возмущения, даже очень маленькие, нарастают, а затем становятся достаточно большими, чтобы изменить характеристики потока определенным образом. [1] [2] [3]
Во многих практических случаях возникновение нестабильности горения нежелательно. Например, термоакустическая нестабильность представляет собой серьезную опасность для газовых турбин и ракетных двигателей . [1] Более того, срыв пламени авиационного газотурбинного двигателя во время полета явно опасен (см. Обрыв пламени ).
Из-за этих опасностей процесс инженерного проектирования двигателей включает определение карты устойчивости (см. Рисунок). Этот процесс определяет область нестабильности горения и пытается либо устранить эту область, либо отодвинуть рабочую область от нее. Это очень дорогостоящий итерационный процесс. Например, многочисленные испытания, необходимые для разработки ракетных двигателей [4] , в значительной степени частично связаны с необходимостью устранить или уменьшить влияние термоакустической нестабильности горения.
Классификация нестабильностей горения
В приложениях, направленных на двигатели, нестабильность горения подразделяется на три категории, которые не являются полностью различающимися. Эта классификация была впервые введена Марселем Баррером и Форманом А. Уильямсом в 1969 году. [5] Три категории: [6]
- Камерные неустойчивости - нестабильности, возникающие из-за возникновения горения внутри камеры (акустические неустойчивости, ударные неустойчивости, гидродинамические неустойчивости, связанные с камерой и т. Д.)
- Внутренние нестабильности - нестабильности, возникающие независимо от того, происходит ли горение внутри камеры или нет (химико-кинетические нестабильности, диффузионно-тепловые неустойчивости, гидродинамические неустойчивости и т. Д.)
- Неустойчивости системы - нестабильности, возникающие из-за взаимодействия между процессами горения в камере и где-либо еще в системе (взаимодействия системы подачи, взаимодействия системы выпуска и т. Д.)
Термоакустическая нестабильность горения
При этом типе неустойчивостей возмущения, которые нарастают и изменяют характеристики течения, носят акустический характер. Связанные с ними колебания давления могут иметь четко определенные частоты с достаточно высокими амплитудами, чтобы представлять серьезную опасность для систем сгорания. [1] Так , например, в ракетных двигателях, такие , как Рокетдайн F-1 ракетный двигатель [7] в Сатурне V программах, неустойчивость может привести к массовому повреждению камеры сгорания и окружающим компонентам (см ракетных двигателей ). Кроме того, известно, что нестабильность разрушает компоненты газотурбинного двигателя во время испытаний. [8] Они представляют опасность для любого типа системы сгорания.
Термоакустические неустойчивости горения можно объяснить, выделив следующие физические процессы:
- обратная связь между колебаниями тепловыделения (или колебаниями пламени) с акустикой камеры сгорания или камеры сгорания
- связь этих двух процессов в пространстве-времени
- прочность этой связи по сравнению с акустическими потерями
- физические механизмы, лежащие в основе флуктуаций тепловыделения
Самый простой пример термоакустической нестабильности горения - это, пожалуй, то, что происходит в горизонтальной трубе Рийке (см. Также термоакустику ): рассмотрим поток через горизонтальную трубу, открытую с обоих концов, в которой плоское пламя находится на расстоянии одной четверти трубы. длина от крайнего левого конца. Подобно органной трубе , акустические волны перемещаются вверх и вниз по трубе, создавая определенный узор стоячих волн . Такой рисунок также образуется в реальных камерах сгорания, но принимает более сложную форму. [9] Акустические волны возмущают пламя. В свою очередь, пламя влияет на акустику. Эта обратная связь между акустическими волнами в камере сгорания и колебаниями тепловыделения от пламени является признаком термоакустической нестабильности горения. Обычно он представлен блок-схемой (см. Рисунок). При некоторых условиях возмущения будут расти, а затем насыщаться, создавая определенный шум. На самом деле, говорят, что пламя трубки Рийке поет.
Условия, при которых возмущения будут расти, задаются критерием Рэлея ( Джон Уильям Струтт, третий барон Рэлей ): [10] Термоакустическая нестабильность горения будет возникать, если объемный интеграл корреляции колебаний давления и тепловыделения по всей трубе больше чем ноль (см. также термоакустика ). Другими словами, нестабильность возникнет, если флуктуации тепловыделения будут сочетаться с флуктуациями акустического давления в пространстве-времени (см. Рисунок). Однако этого условия недостаточно для возникновения неустойчивости.
Другое необходимое условие для установления нестабильности горения состоит в том, что возбуждение неустойчивости от указанной выше связи должно быть больше суммы акустических потерь. [11] Эти потери происходят через границы трубки или из-за вязкой диссипации .
Комбинация двух вышеуказанных условий и для простоты допущения здесь небольших колебаний и невязкого потока приводит к расширенному критерию Рэлея. Математически этот критерий задается следующим неравенством:
Здесь p 'представляет собой колебания давления, q' колебания тепловыделения, колебания скорости, T - достаточно длительный интервал времени, V обозначает объем, S поверхность и нормаль к границам поверхности. Левая часть обозначает связь между флуктуациями тепловыделения и флуктуациями акустического давления, а правая часть представляет собой потерю акустической энергии на границах трубы.
Графически для конкретной камеры сгорания расширенный критерий Рэлея представлен на рисунке справа как функция частоты. Левая часть указанного неравенства называется выигрышем, а правая часть - потерями. Обратите внимание, что есть область, где прибыль превышает потери. Другими словами, указанное неравенство выполняется. Кроме того, обратите внимание, что в этой области реакция камеры сгорания на акустические колебания достигает максимума. Таким образом, вероятность нестабильности горения в этой области высока, поэтому ее следует избегать при работе камеры сгорания. Это графическое представление гипотетической камеры сгорания позволяет сгруппировать три метода предотвращения нестабильности горения: [1] увеличить потери; уменьшить прирост; или переместите пиковый отклик камеры сгорания из области, где усиление превышает потери.
Чтобы дополнительно прояснить роль связи между колебаниями тепловыделения и колебаниями давления в возникновении и возникновении нестабильности, полезно провести сравнение с работой двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В ДВС более высокий тепловой КПД достигается за счет выделения тепла за счет сгорания при более высоком давлении. Аналогичным образом, более сильное движение к нестабильности горения происходит, когда тепло выделяется при более высоком давлении. Но хотя высокое тепловыделение и высокое давление совпадают (примерно) по всей камере сгорания в ДВС, они совпадают в определенной области или областях во время нестабильности горения. Кроме того, в то время как в ДВС высокое давление достигается за счет механического сжатия поршнем или компрессором , при нестабильности горения образуются области высокого давления, когда формируется стоячая акустическая волна.
Физических механизмов, вызывающих указанные выше флуктуации тепловыделения, много. [1] [8] Тем не менее, их можно условно разделить на три группы: флуктуации тепловыделения из-за неоднородностей смеси; вызванные гидродинамической неустойчивостью; а также из-за нестабильности статического горения. Чтобы представить колебания тепловыделения из-за неоднородностей смеси, рассмотрим пульсирующий поток газообразного топлива перед пламегасителем. Такой пульсирующий поток вполне может создаваться акустическими колебаниями в камере сгорания, которые связаны с системой подачи топлива. Возможны многие другие причины. Топливо смешивается с окружающим воздухом таким образом, что неоднородная смесь достигает пламени, например, капли топлива и воздуха, которые достигают пламени, могут чередоваться между богатыми и бедными. В результате происходят колебания тепловыделения. Колебания тепловыделения, вызванные гидродинамической неустойчивостью, происходят, например, в камерах сгорания, стабилизированных обтекаемым телом, когда вихри взаимодействуют с пламенем (см. Предыдущий рисунок). [12] Наконец, колебания тепловыделения из-за статической нестабильности связаны с механизмами, описанными в следующем разделе.
Статическая нестабильность или срыв пламени
Статическая нестабильность [2] или срыв пламени относятся к явлениям, связанным с взаимодействием между химическим составом смеси топливо-окислитель и проточной средой пламени. [13] Чтобы объяснить эти явления, рассмотрим пламя, которое стабилизируется с помощью завихрения, как в камере сгорания газовой турбины , или с помощью обтекаемого тела . Кроме того, скажем, что химический состав и условия потока таковы, что пламя горит интенсивно, и что первое задается соотношением топливо-окислитель (см. Соотношение воздух-топливо ), а второе - встречной скоростью. Для фиксированной встречной скорости уменьшение соотношения топливо-окислитель заставляет пламя изменять свою форму, и при дальнейшем уменьшении пламя колеблется или перемещается с перерывами. На практике это нежелательные условия. Дальнейшее уменьшение соотношения топливо-окислитель приводит к потере пламени. Это явно операционный сбой. При фиксированном соотношении топливо-окислитель увеличение набегающей скорости заставляет пламя вести себя так же, как только что описанное.
Несмотря на то, что только что описанные процессы изучаются с помощью экспериментов или с помощью вычислительной гидродинамики , поучительно объяснить их с помощью более простого анализа. В этом анализе взаимодействие пламени с окружающей средой моделируется как химический реактор с идеальным перемешиванием . [14] В этой модели определяющим параметром является соотношение между шкалой времени потока (или временем пребывания в реакторе) и шкалой химического времени, а ключевым наблюдаемым параметром является максимальная температура реактора. Связь между параметром и наблюдаемой задается так называемой S-образной кривой (см. Рисунок). Эта кривая является результатом решения основных уравнений модели реактора. У него три ветви: верхняя ветвь, в которой пламя сильно горит, т. Е. «Устойчиво»; средняя ветвь, в которой пламя «нестабильно» (вероятность того, что решения уравнений модели реактора будут находиться в этой нестабильной ветви, мала); и нижняя ветвь, в которой нет пламени, а есть холодная смесь топлива и окислителя. Уменьшение отношения топливо-окислитель или увеличение встречной скорости, упомянутые выше, соответствуют уменьшению отношения масштабов времени потока и химического вещества. Это, в свою очередь, соответствует движению влево по S-образной кривой. Таким образом, интенсивно горящее пламя представлено верхней ветвью, а его срыв - это движение влево вдоль этой ветви к точке гашения Q. Как только эта точка пройдена, пламя входит в среднюю ветвь, становясь при этом «нестабильным», или сдувается. Вот как эта простая модель качественно отражает более сложное поведение, объясненное в приведенном выше примере пламени, стабилизированного завихрением или обрывистым телом.
Внутренняя нестабильность пламени
В отличие от термоакустической нестабильности горения, где преобладает роль акустики, внутренняя нестабильность пламени относится к нестабильности, вызванной дифференциальной и преимущественной диффузией, тепловым расширением, плавучестью и тепловыми потерями. Примеры этих неустойчивостей включают нестабильность Дарье-Ландау , к неустойчивости Рэлея-Тейлора и термические-диффузионная неустойчивости (см Double диффузионный конвекции ).
Рекомендации
- ^ a b c d e f Culick, FE и Kuentzmann, P. (2006). Неустановившиеся движения в камерах сгорания двигательных установок . Организация НАТО по исследованиям и технологиям.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ а б Льювен, TC (2012). Физика нестационарной камеры сгорания . Издательство Кембриджского университета.
- ^ Маталон, М. (2007). «Собственная нестабильность пламени при сгорании с предварительным смешиванием и без предварительного смешивания». Ежегодный обзор гидромеханики . 39 (1): 163–191. Bibcode : 2007AnRFM..39..163M . DOI : 10.1146 / annurev.fluid.38.050304.092153 .
- ^ Пемпи П. и Вернин Х. "Сравнение плана испытаний жидкостных ракетных двигателей". Документ AIAA 2001-3256 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Barrere, М., & Williams, FA (1969, январь). Сравнение нестабильности горения, обнаруженной в различных типах камер сгорания. В симпозиуме (международном) по горению (том 12, № 1, стр. 169–181). Эльзевир.
- ^ Уильямс, Форман А. Теория горения. CRC Press, 2018.
- ^ Oefelein, JC и Yang, V. (1993). «Комплексный обзор нестабильностей горения жидкого топлива в двигателях Ф-1». Журнал движения и мощности . 9 (5): 657–677. Bibcode : 1993JPP ..... 9..657O . DOI : 10.2514 / 3.23674 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ а б Льювен, Т.С. и Ян, В. (2005). Неустойчивости горения в газотурбинных двигателях . AIAA.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Пуансо, Т. и Вейнанте, Д. (2005). Теоретическое и численное горение . RT Эдвардс.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Рэлей, JWS (1896). Теория звука 2 . Dover Publications.
- ^ Никуд Ф. и Пуансо Т. (2005). «Термоакустическая нестабильность: следует ли расширить критерий Рэлея, включив в него изменения энтропии?» (PDF) . Горение и пламя . 142 (1–2): 153–159. DOI : 10.1016 / j.combustflame.2005.02.013 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Schadow, KC и Gutmark, E. (1992). «Неустойчивость горения, связанная с выделением вихрей в камерах сгорания отвала и их пассивное управление». Прогресс в области энергетики и горения . 18 (2): 117–132. DOI : 10.1016 / 0360-1285 (92) 90020-2 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Глассман, И., Йеттер, Р.А., Глумак, Н.Г. (2014). Возгорание . Академическая пресса.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Петерс, Н. (2000). Турбулентное горение . Издательство Кембриджского университета.