Л. А.ВУЛИС Ш. А.ЕРШИН Л. П.ЯРИН

Много лет назад в беседе с учениками (в числе которых был пи­шущий эти строки) о новой тогда теории турбулентных струй Геор­гий Федорович Кнорре назвал ее хорошей основой для изучения: факела. В более поздние годы он не раз возвращался к этому й говорил, что в сочетании методов теории струй. и теплового режима горения видит надежный путь для создания теории факела.

Предлагаемая вниманию читателя монография — скромный от­резок на этом пути. В полном объеме задача еще далека от завер­шения. И, может быть, поэтому следует надеяться, что попытка* изложения теоретического и экспериментального материала, с’ еди­ных позиций поможет развитию одного из важных вопросов, тео­рии горения, окажется полезной исследователю, инженеру й/уча­щемуся. ‘ , , ‘.’•;."

Настоящая книга посвящена развитию аэродинамической тео­рии, прямоструйного газового факела. Принятый в ней метод ис­следования и некоторые результаты имеют более общий характер; и, вероятно, представляют интерес для теории горения и топочного процесса в целом. .,

Аэродинамической теорией горения принято называть направле­ние исследования, выдвигающее на первый план изучение законо­мерностей движения горящего потока и соответствующих ему про­цессов переноса импульса, вещества и энергии [Л. 1; 24; 27 и др. Ї. Аэродинамике горения в чистом виде наиболее отвечает предель­ная схема, при которой скорость химических реакций считается бесконечно большой. В этом приближении удается для сравнительно простых случаев рассчитать подробную картину распределения в пртоке основных аэродинамических величин. — скорости тече­ния, температуры, концентраций реагирующих веществ й т. д. Вопросы, устойчивости горения, стабилизации его, воспламенения и срыва при такой постановке задачи, .естественно, не рассматри­ваются. Более, того, щ числ^ р^с^евдых,^характеристик в йредпо­ложении’ совершенного смешения практически исключается йол — нота сгорания.

Болёё titttiHoe исследование факеле становится возможный ‘при сочетании представлений ‘ об* аэродинамике1 ‘Штока й ТёНИббОм режиме горения. Получение достаточно общих и наглядных резуль­татов на этом пути связано с сильной схематизацией закономерно­стей химической кинетики и учетом одних только наиболее специ­фичных свойств экзотермических реакций Ш. 21; 27; 47; 56; 89]. При этом, и в первую очередь при учете резкой" температурной за­висимости скорости реакции, становится возможным наряду с вы­явлением аэродинамической структуры потока найти пределы существования устойчивого горения, определить полноту сгора­ния, критические условия воспламенения и потухания и др.

Оба подхода к исследованию процесса горения — при беско­нечно большой или конечной скорости реакции — применяются в этой книге к изучению газового факела. Выбор его в качестве объекта исследования объясняется, с одной стороны, практическим значением газового факела самого по себе и в виде основы факель­ного способа сжигания любого топлива. С другой стороны, общ­ность аэродинамической структуры факела и газовых струй [1] и процессов переноса в них позволяет эффективно использовать при исследовании факела методы и результаты теории турбулентных струй — одного из наиболее развитых разделов прикладной га­зовой динамики IJI. I; 10; 221. Это относится к так называемому диффузионному факелу (горение неперемешанных газов), а также к гомогенному факелу (горение однородной смеси).

В обоих случаях при напряженном, высокоинтенсивном горе­нии область, в которой происходит сгорание основной доли горючих компонентов, занимает сравнительно малую часть факела. В пре­деле зона горения столь узка, что ее можно заменить поверхностью фронта пламени. Это представление, обычное для горения с беско­нечно большой скоростью реакций, может быть с известным при­ближением сохранено и для реакций с конечной скоростью. В ре­зультате при квазигетерогенной схеме процесса горение считается локализованным на поверхности фронта пламени. Предположение об отсутствии химических реакций во всем объеме факела сущест­венно упрощает математическое описание процесса. В ряде случаев становится возможным аналитическое решение задачи, конечные результаты которого правильно отражают все наиболее важные физические свойства явления.

Отметим также другие допущения, принятые в книге. В основ­ном она ориентирована на изучение интенсивного свободного лрямоструйного газового факела применительно к условиям сжига­ния углеводородного топлива в воздухе — в энергетических уста­новках, т. е. при умеренных значениях температуры. Это позволяет не рассматривать в ней кинетического горения (точнее окисления), для которого характерно сравнительно медленное протекание реакций во всем объеме струй, и не учитывать излучения, влияние которого на процесс горения существенно вблизи границ воспламенения и срыва., а также диссоциации и ионизации газа, изменения числа молей (и теплоемкости) при сгорании, эффектов термо — и бародиффузии и диффузионной теплопроводности.

Для достаточно большой» но вместе с тем малой по сравнению со скоростью звука, скорости течения можно пренебречь свободной конвекцией и теплотой трения.

При анализе течения в факеле предполагается, что газ вытекает из профилированного сопла, скорость его на выходе направлена строго по оси течения, возмущения поля давления пренебрежимо малы.

Эти ограничения заметно упрощают рассмотрение вопроса. От­дельные из них могут быть отброшены при численном решении конкретных задач с помощью ЭВМ. Существенно, однако, что они отвечают в основном условиям экспериментал рассмотренного в книге и использованного в качестве критерия допустимости тео­ретических предположений и правильности результатов расчета.

Отдельные важные вопросы современной теории горения — кинетика реакций горения, теория нормального и турбулентного распространения пламени, излучение пламени, методика диагно­стики и измерений и другие, изложенные в монографиях по физике горения и теории топочных процессов ІЛ. 12; 51; 55; 56; 60; 79; 89; 100] и рядё%5орников [Л. 68; 71; 73 и др.],— в книге не об­суждаются или затрагиваются в той мере, в какой это требуется по ходу изложения.

Подробно не излагаются также расчетные методы теории струй и их обоснование, поскольку они рассмотрены в специальных мо­нографиях [Л. 1; 10; 22]. Наряду с этим — решения наиболее харак­терных задач приводятся с достаточными для воспроизведения ос­новных результатов подробностями. В особенности это относится к расчету диффузионного (затопленного и спутного) факела ко­нечного размера., для которого указан порядок приближенного инженерного расчета и приведены в приложении вспомогательные таблицы функций.

Хотя оглавление в достаточной мере отражает содержание книги, охарактеризуем кратко особенности ее построения.

Первая часть[2] посвящена аэродинамике диффузионного фа­кела при бесконечно большой скорости реакции. Теория вопроса в ней наиболее полно сочетается с опытом; конечные выводы про­веряются на эксперименте. Поэтому результаты этой части дове­дены до практического расчета, основанного на ряде допущений и привлечении минимального числа эмпирических данных.

Вторая часть содержит исследование горения неперемешанных газов и однородной смеси, выполненное с учетом конечной скорости

Химических реакций. Материал этой1 Ласти носит более качествен — вый характер, однако несколько глубже связан о физической кар­тиной горения газа в турбулентном факеле,- поскольку не ограни­чен одними аэродинамическими представлениями,

В третьей части рассматриваются в — порядке постановки отдель­ные вопросы— расчеты иростейших форм высокрскоростн о го фа­кела и факела в электромагнитном — поле. В ;ней обсуждается также применение электромоделирбвания турбулентного горения.,’ Как показывают первые результаты эксперимента, этот метод при раз­витии и практическом осуществление может явиться ценным под­спорьем в исследовании.

Заметим, наконец, что приведенной в конце книги перечень ли­тературы не является исчерпывающим. В нем указаны, исследова-. ния, использованные в тексте, а также обзорные работы и моно­графии, содержащие подробные библиографические данные.

Наиболее подробно в книге отражены результаты работ, вы­полненных авторами — и в основном опубликованных за последние десять лет. При включении в монографию эти работы были пере­смотрены и замеченные недочеты устранены. В частности, перера­ботке подвергся расчет диффузионного факела конечного размера. ; Большинство опытов, описанных в тексте, и расчетов выполнено моим» товарищами,- в прошлом учениками Ш. А. Ершиным, Л-; П. Яриным. В’ Целом книга — от замысла, до Ш^ществЛения, — наш общий труд.

Авторы благодарны товарищам, участвовавшим в. і отдельных этапах Исследований, рецензенту И. И. Палееву за полезные заме­чания, а также Б.’ Д. .Кацнельсону — за обсуждение рукописи. > Отзывы и пожелания по книге просьба. посулаїь! по адресу: Ленинград, Д-41, Марсово поле, д;1, Ленинградское,-отделение -издательства «Энергия».

J1. А, Вулас