Экспериментальное исследование пульсационных характеристик закрученного потока в модели четырехвихревой топки

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью вовлечения в топливно-сырьевую базу низкосортных высокозольных углей в связи с ограниченностью запасов высококачественного топлива. Для их эффективного и экологически безопасного использования требуется разработка новых и модернизация имеющихся котельных агрегатов с предварительным физическим и численным моделированием. Целью работы является экспериментальное исследование пульсационных характеристик турбулентного закрученного потока в модели перспективного топочного устройства, использующего четырёхвихревую схему сжигания пылеугольного топлива. Объектом исследования является изотермическая лабораторная модель четырёхвихревой топки, выполненная из оптически прозрачного оргстекла для проведения измерений в рамках современных бесконтактных методов диагностики потоков. Методы: физическое лабораторное моделирование аэродинамики и процессов переноса в четырехвихревой топке; бесконтактное исследование осредненных и пульсационных характеристик в объеме модели топки при различных режимных параметрах; исследование пульсаций давления с использованием конденсаторного микрофона. Результаты. С использованием метода цифровой трассерной визуализации получены распределения осредненных и пульсационных характеристик скорости потока в ряде сечений модели в широком диапазоне режимных параметров. Определено положение зон с высоким значением турбулентных пульсаций и застойных зон, установлены особенности их расположения в зависимости от режимов. С использованием конденсаторного микрофона получены данные о пульсациях давления в локальных областях объема модели. Анализ спектральных характеристик с применением к полученным данным преобразования Фурье показал, что в изучаемой модели отсутствуют нестационарные периодические колебания, связанные с прецессией вихревого ядра потока. Измеренные пульсации давления вызваны акустикой, пульсации скорости носят случайный характер и не связаны с динамикой когерентных структур.

The relevance of researchis conditioned by the need to involve low-grade high-ash coals in the fuel and raw materials base due to the limited reserves of high-quality fuel. For their effective and environmentally safe use, it is necessary to develop new and modernize existing boiler units with preliminary physical and numerical modeling. The aim of this work is an experimental study of the pulsation characteristics of a turbulent swirled flow in the model of a perspective combustion device using a four-vortex combustion scheme for pulverized-coal fuel. The object of the research is an isothermal laboratory model of the four-vortex furnace made of optically transparent Plexiglas for measurements within the framework of modern noncontact methods for flow diagnostics. Research methods: physical laboratory modeling of aerodynamics and transport processes in the four-vortex furnace; non-contact study of averaged and pulsation characteristics in the furnace volume at different operating parameters; study of pressure pulsations using a condenser microphone. Results. Using the method of particle image velocimetry the authors have obtained the distributions of the averaged and pulsation characteristics of the flow velocity in a number of sections of the model over a wide range of regime parameters. The authors determined the location of the areas with high values of turbulent pulsations and stagnant zones, and identified its features depending on the regimes. Information on the pressure pulsations in the localities of the model volume was obtained with the use of a condenser microphone. Analysis of spectral characteristics with applying the Fourier transform to the obtained data shown that there are no non-stationary periodic oscillations due to the vortex core precession in the studied model. The measured pressure pulsations are caused by acoustics, and velocity pulsations are random and are not associated with the dynamics of coherent structures.