Experimental investigation of vortex flow structure in the model of a vortex furnace by the Doppler laser anemometry method.pdf В настоящее время одной из наиболее перспективных и экологически безопас-ных технологий теплоэнергетики при сжигании низкосортных углей является тех-нология факельного сжигания пылеугольного топлива в вихревом потоке [1]. Из-вестно, что оптимальной организацией аэродинамики вихревых топочных уст-ройств можно повлиять на устойчивость горения, добиться требуемых скоростей итемператур в топочном объеме, увеличить коэффициент шлакоулавливания, сни-зить уровень выбросов токсичных веществ в окружающую среду. Этим определяет-ся высокий интерес к исследованию вихревых процессов горения и их применениюв практике. Разработка (с целью внедрения в теплоэнергетике) перспективных вих-ревых аппаратов и новых технологий сжигания осложняется многообразием исложностью процессов, протекающих в вихревых газодисперсных потоках с горе-нием, что принципиально затрудняет поиск эффективных инженерных решенийпри конструировании топливосжигающих устройств нового типа. Недостаточнаяизученность сложной структуры закрученного газодисперсного потока, межфазноготеплового и силового взаимодействия, физико-химических превращений в органи-ческой и минеральной частях топлива и других процессов в вихревых устройствахна данном этапе свидетельствует о необходимости научного обоснования приме-няемых инженерных методов их расчетов, а также способов оценки энергетическойэффективности и экологической безопасности нового оборудования.С развитием вычислительной техники численное моделирование стало основ-ным подходом при выполнении НИР и НИОКР, направленных на оптимизациюсуществующих и разработку новых конструктивных решений энергетических ап-паратов. Однако сами математические модели и численные алгоритмы нуждаютсяво всесторонней проверке и тщательном тестировании. Наиболее эффективной инадежной верификацией является сопоставление результатов расчетов с экспери-ментальными данными. Тем самым физическое моделирование является необхо-димым этапом разработки новых типов крупных энергетических установок. Вме-сте с ростом требований к достоверности результатов численного моделирования,возрастают требования к точности и объему информации, получаемой в экспери-ментах. Современный уровень физического моделирования процессов в тепло-энергетическом оборудовании в первую очередь предполагает получение данныхо трехмерной структуре потока, включая как осредненные, так и пульсационныехарактеристики данных о распределении скорости, температуры, концентрации идругих параметров. В условиях лабораторного моделирования этим задачам отве-чают бесконтактные оптические методы измерений, такие, как лазерная допле-ровская анемометрия, тепловизионные методы, полевые методы измерения ско-рости, концентрации, температуры (particle image velocimetry, planar laser-inducedfluorescence). Указанные методы, обеспечивая исчерпывающую информацию отечении и процессах переноса в модели изучаемого аппарата, позволяют глубжепонять закономерности топочных процессов и проанализировать возможностиоптимизации конструктивных и режимных параметров разрабатываемых котлов свихревой технологией сжигания топлива.Данная работа посвящена экспериментальному изучению структуры изотер-мического закрученного потока в модели вихревой топки с применением методалазерной доплеровской анемометрии (ЛДА). Модель топки воспроизводит в мас-штабе 1:15 одну из секций опытно-промышленного котла ТПЕ-427 Новосибир-ской ТЭЦ-3. Принципиальная особенность конструкции данного котла, разрабо-танного в НПО ЦКТИ, заключается в топочном устройстве с горизонтальнымвихрем, обеспечивающим: распределенный тангенциальный ввод газодисперснойсреды с высокой циркуляцией потока, высокое объемное теплонапряжение, не-прерывное жидкое шлакоудаление с высоким коэффициентом шлакоулавливания,режимы высокотемпературного сжигания низкосортных углей, уменьшенныемассогабаритные размеры.Экспериментальные установкии методика измеренийФизическое моделирование внутреннейаэродинамики исследуемой вихревой топкипроводилось на изотермической модели,изготовленной из оргстекла (рис. 1). Харак-терные размеры: xмакс= 300 мм, yмакс == 1300 мм, zмакс= 330 мм, отношение шири-ны горловины диффузора к диаметру вих-ревой камеры сгорания составляетHx = 0,24. На фронтальной стенке под углом15. к горизонту симметрично расположеныдва прямоугольных сопла (соответствую-щие амбразурам горелок), через которыепоступает сжатый воздух. При физическоммоделировании использован геометриче-КамераохлажденияДиффузорКамерасгоранияГорелкиZ YXРис. 1. Схема вихревой топкиский параметр подобия ƒf /Fт, характерный для данного типа парогенераторов свихревой топкой, где ƒf - сумма площадей сечения горелок, Fт - площадь диамет-рального сечения камеры сгорания. Число Рейнольдса (Re~105) в лабораторныхусловиях ниже, чем в натурных. Моделирование структуры потока при этом оп-равдано благодаря автомодельности течения в диапазоне Re = 104.106 [2].Методика проведения экспериментов заключалась в следующем. Поток сжато-го воздуха из магистрали подавался в модель вихревой топки (1) через регулятордавления (3) и ресивер (5) с целью стабилизации потока. Давление после регуля-тора контролировалось при помощи образцового манометра (4) (рис. 2). Для бес-контактного измерения стационарного распределения скорости потока в интере-сующих сечениях модели применялась лазерно-доплеровская прецизионная изме-рительная система (автоматизированный измерительный комплекс ЛАД-05), раз-работанная в ИТ СО РАН [3]. Система включает: оптоэлектронный модуль,Сжатыйвоздух234 5617Рис. 2. Экспериментальный стенд по исследованию аэроди-намики и процессов смешения в вихревой топке: 1 - модельвихревой топки; 2 - вентиль02 331.; 3 - регулятор давления (редук-тор); 4 - манометр; 5 - ресивер (для сглаживания пульсацийдавления); 6 - дымогенератор XLINE FOG 800; 7 - автомати-зированный измерительный комплекс ЛАД-05координатно-перемещающее устройство (КПУ), компьютер со специализирован-ным программным обеспечением. В оптоэлектронном модуле реализована опти-ческая схема с рассеянием назад, которая отличается использованием полупро-водникового лазера. Лазерный пучок расщепляется акустооптическим модулято-ром на два пучка, которые, пересекаясь в потоке, формируют интерференционноеполе с известной периодической структурой. Его изображение в рассеянном назадсвете формируется оптическими элементами на светочувствительной поверхностифотоприемника. В основе метода лежит измерение перемещений взвешенных впотоке частиц (трассеров). Пересекая интерференционное поле, частицы генери-руют оптический сигнал, частота изменения интенсивности которого прямо про-порциональна скорости трассеров. В качестве трассеров в данном экспериментеиспользовались микрокапли специальной жидкости на основе глицерина, созда-ваемые дымогенератором. Трассеры примешивались к основному потоку возду-ха через отверстия в соплах, до входа в модель, и таким образом засеивали весьисследуемый объем. Их концентрация позволяла измерительной системе реги-стрировать 300 - 500 частиц в секунду. Характерный размер микрокапель(1 − 5 мкм) обеспечивал высокое соответствие их траекторий линиям тока.Автоматизированный измерительный комплекс ЛАД-05 измеряет две компо-ненты скорости потока, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оптическойоси оптоэлектронного блока. Система была установлена так, что оптическая осьсовпадала с осью цилиндрической части модели топки. Таким образом, измеряе-мые компоненты скорости лежали в плоскости XY (плоскость, перпендикулярнаяоси z), далее они обозначаются U и V (проекции на оси x и y соответственно).КПУ перемещает оптоэлектронный блок по трем осям, что позволяет позициони-ровать измерительный объем системы в любой точке внутри модели топки. Ми-нимальный шаг перемещений - 0,01 мм, точность позиционирования ограничива-лась точностью привязки к началу координат и была не хуже 1 мм. Диапазон пе-ремещений КПУ по каждой оси ограничен 250 мм. Размеры интересующей облас-ти модели топки составляли 300.500.165 мм. Чтобы охватить измерениями всюинтересующую область, потребовалось провести несколько отдельных измеренийи объединить результаты с учетом приведения координат в единую систему от-счета.Основной вклад в ошибку измерения среднего значения дают пульсации ско-рости. Поскольку средние скорости в разных точках эксперимента значительноразличаются, имеет смысл привести размер доверительного интервала в относи-тельных величинах, приведенных к средней скорости в данной точке:U U U U 1 t( ,N)SU N= ƒ = ⎛⎜  ƒ ⎞⎟⎝ ⎠,где S - вычисленное стандартное отклонение, N - количество измерений в точке,α - вероятность попадания в доверительный интервал, t (α, N) - квантиль Стью-дента. Автоматизированный эксперимент был спланирован так, чтобы в каждойточке эксперимента для получения среднего значения скорости было произведеноне менее 1000 измерений (по N = 500 для каждой компоненты скорости). Дляα = 0,95 % и N > 25 t (α, N) ≈ 2. Выявлено, что для каждой точки экспериментаотношение стандартного отклонения к среднему значению не превышалоS/U

Скачать электронную версию публикации