Определение скорости горения топлива в условиях обтекания газовым потоком

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - освоение методики теоретического определения эрозионного отношения (отношения скоростей горения топлива при обтекании газовым потоком и без обтекания потоком).

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

- радиус канала, r, м - 1,4510^-2;

- коэффициент в законе поверхностного трения, k_f - 0,0262;

- толщина зоны газификации при отсутствии

эрозионного горения, x₁₀ ,м - 1,1410^-5;

- безразмерное расстояние, при которомламинарный режим течения

переходит в турбулентный, ,м - 11,6;

- температура на границе турбулентного течения подготовительной

зоны, Т₁, К - 1400;

- температура поверхности топлива при отсутствии

подвода тепла извне, , К - 700;

- температура поверхности топлива при горении, T_s0,К - 840;

- коэффициент кинематической вязкости продуктов

газификации топлива, , м²/с - 7,710^-6.

Значения  и задается в варианте индивидуального задания.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Подвод тепла из газовой фазы к поверхности горения двухосновного топлива, определяющий интенсивность процесса газификации, осуществляется благодаря молекулярной теплопроводности слоя газа, прилегающего к поверхности горения.

Величина подводимого из газовой фазы теплового потока пропорциональна температурному градиенту у поверхности горения, который, в свою очередь, связан с температурой на внешней границе подготовительной зоны Т₁ и температурой поверхности топлива Т_s.

Скорость газового потока не оказывает влияния на скорость горения топлива до тех пор, пока зона газификации находится за пределами турбулентного ядра потока. При этом распределение температуры вблизи поверхности горения заряда остается неизменным, а, следовательно, не меняется и тепловой поток, направленный к поверхности горения.

С ростом скорости газового потока, начиная со значения V=V_пор, границы турбулентного течения перемещаются в глубь зоны газификации. Турбулентный перенос тепла и вещества характеризуется значительно большей интенсивностью по сравнению с тепломассообменом, который осуществляется в зоне газификации посредством молекулярной диффузии и молекулярной теплопроводности газа. Поэтому в первом приближении можно полагать, что на границе турбулентного течения завершаются все процессы химического взаимодействия, характерные для зоны газификации. При этом на границе турбулентного течения устанавливается температура подготовительной зоны Т₁.

Итак, влияние скорости газового потока на скорость горения двухосновного топлива проявляется в сокращении глубины зоны газификации x₁, что приводит к увеличению температурного градиента внутри этой зоны, а, следовательно, и к увеличению теплового потока, подводимого к заряду.

Пороговая скорость V_пор соответствует скорости потока, при которой границы турбулентного ядра, расширяясь, достигают внешней границы зоны газификации.

Уравнение энергетического баланса для поверхности заряда при стационарном горении имеет вид

, (1)

где _Т, _Г – коэффициенты теплопроводности для топлива и газа;

Q_S – количество тепла, выделяющегося при реакциях в топливе;

– массовая скорость горения топлива;

индекс S относится к поверхности заряда.

Распределение температуры в топливе описывается выражением

,

где Т_Н – начальная температура топлива;

с_Т – удельная теплоемкость топлива;

_Т – коэффициент теплопроводности топлива;

х – координата, отсчитываемая от поверхности топлива.

Дифференцируя последнее выражение, получим

. (2)

Подставляя (2) в (1) найдем

– .

Сумма Т_н+Q_s/c_т представляет температуру, которая установилась бы на поверхности горения за счет выделения тепла в твердой фазе при отсутствии подвода извне. Обозначая её через , получим

,

откуда

^{. (3)}

Из анализа зависимости следует, что в диапазоне рабочих значений T_S может быть аппроксимирована прямой, описываемой уравнением

. (4)

Подставляя (4) в (3), будем иметь

.

Учитывая

;

где x₁ – толщина зоны газификации,

после преобразований получим

.

Значение эрозионного отношения  (отношения скоростей горения топлива при наличии и отсутствии эрозионного горения) выражается соотношением

, (5)

где индексы "0" и "V" относятся к случаям горения топлива при VV_пор и V>V_пор.

При определении толщины зоны газификации принимается, что скорость газа и касательное напряжение на внешней границе ламинарного подслоя остаются примерно такими же, как и при течении в гладкой трубе с непроницаемыми стенками.

Исходя из универсального закона распределения скорости при движении газа по каналу и эмпирической зависимости коэффициента поверхностного трения

,

отношение толщины ламинарного подслоя при некоторой скорости потока V>V_пор к толщине его при VV_пор определится как

. (6)

Подставляя выражение (6) в уравнение (5) после преобразований получим

.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Определить величину пороговой скорости

,

;

где n – показатель степени в выражении коэффициента поверхностного трения

.

n=7.

2. Задаваясь рядом значений V=200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 м/с, определить соответствующие значения Re по зависимости

.

3. Определить отношение толщин зон газификации при VV_пор (х₁₀) и при VV_пор (х_1V) для ряда значений Re:

.

4. Рассчитать значения

;

.

5. Определить значение эрозионного отношения по зависимости

 .

6.Результаты расчета занести в таблицу 1, по результатам которой построить график зависимости (V).

Таблица 1 – Результаты расчета

V, м/с	200	300	400	500	600	700	800


ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №5