Nestabilita spalování - Combustion instability - Wikipedia

Nestability spalování jsou fyzikální jevy vyskytující se v reagujícím toku (např plamen ), ve kterém narůstají i malá odchylky, a to i velmi malé, a poté se zvětší natolik, aby nějakým způsobem změnily vlastnosti toku.[1][2][3]

Mapa stability hypotetického spalovače. Tato spalovací komora pracuje za podmínek, za kterých nedojde k žádné nebezpečné nestabilitě spalování.

V mnoha praktických případech je výskyt nestabilit spalování nežádoucí. Například termoakustické nestability jsou velkým nebezpečím plynové turbíny a raketové motory.[1] Kromě toho je odhození plamene motoru aero-plynové turbíny v polovině letu zjevně nebezpečné (viz plamen ).

Kvůli těmto rizikům proces konstrukčního návrhu motorů zahrnuje stanovení stability mapa (viz obrázek). Tento proces identifikuje oblast nestability spalování a pokusí se buď tuto oblast eliminovat, nebo od ní přesunul provozní oblast. Jedná se o velmi nákladný iterativní proces. Například četné testy potřebné k vývoji raketových motorů [4] jsou z velké části částečně způsobeny potřebou eliminovat nebo snížit dopad nestabilit termoakustického spalování.

Klasifikace nestabilit spalování

V aplikacích zaměřených na motory byla nestabilita spalování rozdělena do tří kategorií, které nejsou zcela odlišné. Tuto klasifikaci poprvé představili Marcel Barrère a Forman A. Williams v roce 1969.[5] Tyto tři kategorie jsou[6]

  • Nestability komory - nestability vznikající v důsledku výskytu spalování uvnitř komory (akustické nestability, rázové nestability, fluidně dynamické nestability spojené s komorou atd.),
  • Vnitřní nestability - nestability vznikající bez ohledu na to, zda ke spalování dochází v komoře či nikoli (chemicko-kinetické nestability, difuzně-tepelné nestability, hydrodynamické nestability atd.)
  • Nestability systému - nestability vznikající v důsledku interakce mezi spalovacími procesy v komoře a kdekoli jinde v systému (interakce napájecího systému, interakce výfukového systému atd.)

Nestability termoakustického spalování

V tomto typu nestabilit jsou poruchy, které rostou a mění vlastnosti toku, akustika Příroda. Jejich související tlakové oscilace mohou být dobře definovány frekvence s dostatečně vysokými amplitudami, aby představovaly vážné nebezpečí pro spalovací systémy.[1] Například v raketových motorech, jako je Rocketdyne F-1 raketový motor [7] v Saturn V nestability mohou vést k masivnímu poškození spalovací komory a okolních součástí (viz raketové motory ). Kromě toho jsou známy nestability, které během testování ničí součásti motoru s plynovou turbínou.[8] Představují nebezpečí pro jakýkoli typ spalovacího systému.

Nestability termoakustického spalování lze vysvětlit rozlišením následujících fyzikálních procesů:

  • zpětná vazba mezi fluktuacemi uvolňování tepla (nebo fluktuacemi plamene) s akustikou spalovací komory nebo spalovací komory
  • spojení těchto dvou procesů v časoprostoru
  • pevnost této vazby ve srovnání s akustickými ztrátami
  • fyzikální mechanismy za kolísáním uvolňování tepla

Nejjednodušším příkladem nestability termoakustického spalování je možná to, co se děje ve vodorovné poloze Rijke trubice (viz také termoakustika ): Zvažte tok horizontální trubkou otevřenou na obou koncích, ve které je plochý plamen ve vzdálenosti jedné čtvrtiny délky trubky od konce nejvíce vlevo. Podobným způsobem jako varhanní píšťala, akustické vlny cestovat nahoru a dolů po trubici a vytvářet určitý vzor stojaté vlny. Takový vzor se také vytváří ve skutečných spalovacích zařízeních, ale má složitější podobu.[9] Akustické vlny ruší plamen. Plamen zase ovlivňuje akustiku. Tato zpětná vazba mezi akustickými vlnami ve spalovací komoře a kolísáním uvolňování tepla z plamene je charakteristickým znakem nestabilit termoakustického spalování. To je obvykle reprezentováno s blokové schéma (viz obrázek). Za určitých podmínek narušení porostou a poté se nasytí a vytvoří určitý hluk. Ve skutečnosti se říká, že plamen trubice Rijke zpívá.

Nestability spalování reprezentované blokovým diagramem jako zpětnovazební zesilovač.

Podmínky, za kterých narušení porostou, stanoví Rayleigh's (John William Strutt, 3. baron Rayleigh ) kritérium:[10] Nestability termoakustického spalování nastanou, pokud je objemový integrál korelace kolísání tlaku a uvolňování tepla v celé trubce větší než nula (viz také termoakustika ). Jinými slovy, nestability nastanou, pokud jsou fluktuace uvolňování tepla spojeny s fluktuacemi akustického tlaku v časoprostoru (viz obrázek). Tato podmínka však nestačí k tomu, aby došlo k nestabilitě.

Nestability termoakustického spalování, ke kterým dochází ve spalovacím zařízení stabilizovaném plamenem a plamenem. Tmavé oblasti naznačovaly silné uvolňování tepla a velké deformace naznačovaly vysoký tlak. Všimněte si, že kdykoli a kdekoli dojde k velkým deformacím, jsou vidět tmavé oblasti. Toto je charakteristická vazba tlaku a uvolňování tepla pozorovaná v nestabilitách termoakustického spalování.

Další nezbytnou podmínkou pro stanovení nestability spalování je to, že hnací síla nestability z výše uvedené vazby musí být větší než součet akustických ztrát.[11] Tyto ztráty se dějí přes hranice trubice nebo jsou způsobeny viskózní rozptýlení.

Kombinace výše uvedených dvou podmínek a pro jednoduchost zde předpokládáme malé výkyvy a neviditelný tok, vede k rozšířenému Rayleighovu kritériu. Matematicky je toto kritérium dáno další nerovností:

Zde p 'představuje kolísání tlaku, q' kolísání uvolňování tepla, fluktuace rychlosti, T je dostatečně dlouhý časový interval, V označuje objem, S povrch a je normální k hranicím povrchu. Levá strana označuje vazbu mezi fluktuacemi uvolňování tepla a fluktuacemi akustického tlaku a pravá strana představuje ztrátu akustické energie na hranicích trubek.

Grafické znázornění rozšířeného Rayleighova kritéria pro některé spalovací komory ukazuje oblast, kde zisky převyšují ztráty a odezva spalovací komory je silná. To naznačuje vysokou pravděpodobnost nestability spalování. Tento údaj je převzat z.[1]

Graficky je u konkrétního spalovacího zařízení rozšířené Rayleighovo kritérium zobrazeno na obrázku vpravo jako funkce frekvence. Levá strana výše uvedené nerovnosti se nazývá zisky a pravá strana ztráty. Všimněte si, že existuje oblast, kde zisky převyšují ztráty. Jinými slovy, výše uvedená nerovnost je splněna. Dále si všimněte, že v této oblasti vrcholí reakce spalovacího zařízení na akustické výkyvy. Pravděpodobnost nestability spalování v této oblasti je tedy vysoká, což z ní činí oblast, které je třeba se při provozu spalovacího zařízení vyhnout. Toto grafické znázornění hypotetické spalovací komory umožňuje seskupit tři metody prevence nestabilit spalování:[1] zvýšit ztráty; snížit zisky; nebo přesuňte špičkovou odezvu spalovače od oblasti, kde zisky převyšují ztráty.

K dalšímu objasnění úlohy vazby mezi fluktuacemi uvolňování tepla a fluktuacemi tlaku při vytváření a řízení nestability je užitečné provést srovnání s provozem spalovací motor (LED). V ICE vyšší tepelná účinnost je dosaženo uvolňováním tepla spalováním při vyšším tlaku. Podobně silnější hnací nestabilita spalování nastává, když se teplo uvolňuje při vyšším tlaku. Ale zatímco vysoké uvolňování tepla a vysoký tlak se shodují (zhruba) v celé spalovací komoře v ICE, shodují se v určité oblasti nebo oblastech během nestability spalování. Kromě toho, zatímco v ICE je vysoký tlak dosažen mechanickou kompresí s a píst nebo a kompresor, ve spalovací nestabilitě se vytvářejí oblasti vysokého tlaku, když se tvoří stojatá akustická vlna.

Fyzikální mechanismy produkující výše uvedené výkyvy uvolňování tepla jsou četné.[1][8] Lze je však zhruba rozdělit do tří skupin: fluktuace uvolňování tepla v důsledku nehomogenit směsi; ty kvůli hydrodynamickým nestabilitám; a to kvůli nestabilitě statického spalování. Chcete-li zobrazit fluktuace uvolňování tepla v důsledku nehomogenit směsi, zvažte pulzující proud plynného paliva před držákem plamene. Takový pulzující proud může být dobře produkován akustickými kmity ve spalovací komoře jsou spojeny se systémem přívodu paliva. Existuje mnoho dalších příčin. Palivo se mísí s okolním vzduchem takovým způsobem, že nehomogenní směs dosáhne plamene, např. Skvrny paliva a vzduchu, které dosáhnou plamene, se mohou střídat mezi bohatým a chudým. Ve výsledku dochází k výkyvům uvolňování tepla. K fluktuacím uvolňování tepla způsobeným hydrodynamickými nestabilitami dochází například ve spalovacích komorách stabilizovaných blafováním těla, když víry interagovat s plamenem (viz předchozí obrázek).[12]Nakonec kolísání uvolňování tepla v důsledku statických nestabilit souvisí s mechanismy vysvětlenými v následující části.

Statická nestabilita nebo odfouknutí plamene

Plamen z víru stabilizovaného, ​​předmíchaného, ​​akademického spalovače procházejícího odfouknutím. Tok je zprava doleva. Poměr paliva a vzduchu je snížen. Díky tomu plamen změní svůj tvar, stane se nestabilním a nakonec odfoukne.

Statická nestabilita [2] nebo odhození plamene se týká jevů zahrnujících interakci mezi chemickým složením směsi paliva a oxidačního činidla a prostředím proudění plamene.[13] Chcete-li vysvětlit tyto jevy, zvažte plamen, který je stabilizovaný vířením, jako v plynové turbíně spalovací komora nebo blufovat tělo. Kromě toho řekněte, že chemické složení a podmínky toku jsou takové, že plamen hoří energicky a že první je nastaven poměrem paliva a oxidačního činidla (viz poměr vzduch-palivo ) a druhý blížící se rychlostí. Pro fixní blížící se rychlost snižuje poměr paliva a oxidačního činidla plamen ke změně tvaru a jeho dalším snižováním plamen osciluje nebo se pohybuje přerušovaně. V praxi se jedná o nežádoucí podmínky. Další snižování poměru paliva a okysličovadla odfoukává plamen. Jedná se zjevně o provozní poruchu. U stálého poměru paliva a oxidačního činidla zvyšuje zvyšující se rychlost plamene chování podobným způsobem, jaký byl právě popsán.

Křivka tvaru S vyplývající z řešení modelu homogenního reaktoru představujícího plamen.

I když jsou právě popsané procesy studovány pomocí experimentů nebo pomocí Výpočetní dynamika tekutin, je poučné vysvětlit je jednodušší analýzou. V této analýze je interakce plamene s prostředím proudění modelována jako dokonale smíšená chemický reaktor.[14] U tohoto modelu je rozhodujícím parametrem poměr mezi časovou stupnicí průtoku (nebo dobou zdržení v reaktoru) a chemicko-časovou stupnicí a klíčovou pozorovatelnou je maximální teplota reaktoru. Vztah mezi parametrem a pozorovatelným je dán tzv. Křivkou tvaru S (viz obrázek). Tato křivka je výsledkem řešení řídících rovnic modelu reaktoru. Má tři větve: horní větev, ve které plamen intenzivně hoří, tj. Je „stabilní“; střední větev, ve které je plamen „nestabilní“ (pravděpodobnost, že řešení rovnic reaktorového modelu bude v této nestabilní větvi, je malá); a spodní větev, ve které není plamen, ale studená směs paliva a oxidačního činidla. Snížení poměru paliva a okysličovadla nebo zvýšení blížící se rychlosti uvedené výše odpovídá snížení poměru časových a chemických stupnic toku. To zase odpovídá pohybu doleva v křivce tvaru S. Tímto způsobem je plamen, který prudce hoří, představován horní větví a jeho odfouknutí je pohyb vlevo podél této větve směrem k bodu kalení Q. Jakmile tento bod projde, plamen vstoupí do střední větve, stává se tak „nestabilním“ nebo odfoukne. Takto tento jednoduchý model kvalitativně zachycuje složitější chování vysvětlené ve výše uvedeném příkladu plamene stabilizovaného vířením nebo blafováním těla.

Vnitřní nestability plamene

Na rozdíl od nestabilit termoakustického spalování, kde je role akustiky dominantní, se vnitřní nestability plamene vztahují na nestability produkované diferenciální a preferenční difúzí, tepelnou roztažností, vztlakem a tepelnými ztrátami. Mezi příklady těchto nestabilit patří Nestabilita Darrieus – Landau, Rayleigh-Taylor nestabilita a tepelně difuzní nestability (viz Dvojitá difúzní konvekce ).

Reference

  1. ^ A b C d E F Culick, F. E. a Kuentzmann, P. (2006). Nestabilní pohyby ve spalovacích komorách pohonných systémů. Organizace pro výzkum a technologie NATO.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  2. ^ A b Lieuwen, T. C. (2012). Nestabilní fyzika spalovače. Cambridge University Press.
  3. ^ Matalon, M. (2007). "Vnitřní nestability plamene v předmíchaném a nepremixovaném spalování". Roční přehled mechaniky tekutin. 39 (1): 163–191. Bibcode:2007AnRFM..39..163M. doi:10.1146 / annurev.fluid.38.050304.092153.
  4. ^ Pempie, P. a Vernin, H. „Porovnání plánu zkoušek motorů na kapalná paliva“. Papír AIAA 2001-3256.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  5. ^ Barrere, M., & Williams, F.A. (1969, leden). Porovnání nestabilit spalování zjištěných v různých typech spalovacích komor. In Symposium (International) on Combustion (Vol.12, No. 1, pp. 169-181). Elsevier.
  6. ^ Williams, Forman A. Teorie spalování. CRC Press, 2018.
  7. ^ Oefelein, J. C. a Yang, V. (1993). „Úplný přehled nestabilit spalování kapalných pohonných hmot v motorech F-1“. Journal of Propulsion and Power. 9 (5): 657–677. Bibcode:1993JPP ..... 9..657O. doi:10.2514/3.23674.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  8. ^ A b Lieuwen, T. C. a Yang, V. (2005). Nestability spalování v motorech s plynovou turbínou. AIAA.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  9. ^ Poinsot, T. a Veynante, D. (2005). Teoretické a numerické spalování. RT Edwards.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  10. ^ Rayleigh, J. W. S. (1896). Theory of Sound Volume 2. Dover Publications.
  11. ^ Nicoud, F. a Poinsot, T. (2005). „Termoakustické nestability: Mělo by být Rayleighovo kritérium rozšířeno o změny entropie?“ (PDF). Spalování a plamen. 142 (1–2): 153–159. doi:10.1016 / j.combustflame.2005.02.013.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  12. ^ Schadow, K. C. a Gutmark, E. (1992). "Nestabilita spalování související s uvolňováním vírů v skládkových spalovacích zařízeních a jejich pasivní kontrolou". Pokrok ve vědě o energii a spalování. 18 (2): 117–132. doi:10.1016/0360-1285(92)90020-2.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  13. ^ Glassman, I. a Yetter, R. A. a Glumac, N. G. (2014). Spalování. Akademický tisk.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  14. ^ Peters, N. (2000). Turbulentní spalování. Cambridge University Press.