СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ И ТЕПЛООБМЕН В ПРЯМОТОЧНЫХ ГАЗОВЫХ ИМПАКТНЫХ СТРУЯХ И ФАКЕЛАХ
|
Актуальность темы (проблемы). Газовые струйные течения, в частности газовые импактные струи и факела, широко применяются в различных энергетических технологиях. Исследованию их свойств посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ, базирующихся главным образом на квазистационарном подходе к описанию явлений переноса, включая вопросы образования когерентных структур.
К настоящему времени методические возможности такого описания практически исчерпаны, возникают новые научные направления для формирования представлений о теплообмене в газовых турбулентных потоках. Анализ литературных данных позволяет сделать предположение о том, что на первом этапе такие подходы могут быть основаны на представлении о структурах как целостных динамических системах, отличающихся иррегулярным поведением и имеющих сложную зависимость изменения параметров в пространстве и времени.
Следует предположить, что в газовых течениях возникают и исчезают структуры различного типа, каждая из которых участвует в теплообмене, взаимодействует с другими и эволюционирует по своим закономерностям.
Сведений о таких структурах чрезвычайно мало, необходимо тотальное накопление эмпирической информации. Для решения такой задачи потребуется разработка новых полевых методов исследования, обладающих высоким быстродействием и предполагающих дальнейшую обработку на ЭВМ.
Кроме того, известные полевые методы разработаны главным образом для лабораторных исследований, и их применение в промышленности для управления технологическими агрегатами практически невозможно.
Цель работы в теоретическом аспекте состояла в том, чтобы разработать методику обнаружения структурных образований в газовых потоках на основе мгновенных картин полей характеристик, выявить природу этих структур и понять их вклад в теплообмен.
В практическом плане ставилась задача разработать на основе данных о динамике теплопереноса новую концепцию автоматизированного управления технологическими процессами, в которых применяются газовые импактные струи и факела.
Объекты исследований. В целях достижения общности создаваемых методов и представлений были выбраны течения газов, заведомо обладающие различными свойствами: прямоточные свободные и импактные струи, низко- и высокотемпературные газовые среды.
Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые:
- разработана полевая методика определения стохастических характеристик температурного поля в газовых потоках;
- разработан и экспериментально подтвержден способ идентификации структурных элементов в газовых потоках в целях понимания механизма теплообмена и управления этим процессом;
- установлено мгновенное распределение локальной плотности теплового потока при теплоотдаче импактных струй;
- показана зависимость изменения во времени интенсивности теплового взаимодействия факела с окружающей средой;
- выявлена возможность управления средними характеристиками теплообмена в газовых потоках путем наложения низкочастотного воздействия;
- разработаны способы управления теплопереносом в потоке для применения в промышленности.
Достоверность результатов основывается на надежности экспериментальных данных, полученных сочетанием независимых методик исследования и подтвержденных воспроизводимостью результатов измерений, их хорошим согласованием на уровне тестовых опытов с данными других авторов, а также применением комплекса современных методов исследования, подбором измерительной аппаратуры, ее систематической поверкой и тарировкой.
Практическая значимость заключается:
- в определении характеристик вариации теплового потока при теплоотдаче газовых импактных струй, что позволяет оценить влияние этой нестабильности на микроструктуру обрабатываемых с их помощью технологических поверхностей;
- в разработке методики тепловизионного определения интенсивности теплоотдачи газовых потоков в промышленных условиях, конструктивная реализация которой (установка) защищена патентом РФ;
- в создании методики, позволяющей определять структуру факела, а именно: наличие в нем крупномасштабных вихревых структур в целях дальнейшего управления их характеристиками;
- в создании алгоритма и принципиальной схемы автоматизированного управления процессом факельного сжигания органического топлива в энергетических агрегатах на основе тепловизионного сканирования топочного пространства.
Автор защищает:
- методику определения стохастических характеристик поля температуры в газовых потоках и основанный на этой методике способ идентификации возникающих в них структурных элементов - термических областей;
- результаты изучения свойств структурных элементов, полученные нанесением низкочастотного тестирующего воздействия, создаваемого с помощью пульсирующих воздушных микроструй;
- экспериментальные данные по мгновенному распределению локальной плотности теплового потока в импактных струях в зависимости от параметров струйной системы;
- полученные сведения о вариации теплового взаимодействия факела с окружающей средой;
- концепцию определения структуры факела и его положения в топке энергетического агрегата.
Личный вклад автора состоит в том, что им на основе анализа литературных источников поставлены задачи исследования, разработаны основные методики, спроектированы и отлажены экспериментальные установки, проведены опыты, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные, а также предложены пути практической реализации полученных сведений в промышленности.
Реализация работы. Результаты данной диссертационной работы использованы предприятием УралОРГРЭС при разработке метода оптимизации факельного и топочного процессов при наладке котлоагрегатов, при их совершенствовании и реконструкции: в частности, они будут использованы при выполнении проекта реконструкции котельного агрегата БКЗ-160 в целях обеспечения его бесшлаковочной работы при номинальной производительности.
Полученные данные могут быть применены при разработке методики оптимизации характеристик управляющего воздействия на факел при различных режимах работы топочно-горелочных устройств как энергетических, так и промышленных агрегатов.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и были представлены на: XVII Российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2005); Всероссийской научно¬практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2005, 2007); Всероссийской студенческой олимпиаде по энерго- и ресурсосбережению (Екатеринбург, 2005, 2006); четвертой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва 2006); Отчетных конференциях молодых ученых Уральского государственного технического университета - УПИ (Екатеринбург, 2006-2008), а также на семинарах в ГУСО Институте энергосбережения (Екатеринбург), Институте теплофизики СО РАН (Новосибирск), ОАО «Уралмаш-инжиниринг» (Екатеринбург).
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ и получен патент РФ на изобретение, в т.ч. 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 118 наименований, и приложений. Она изложена на 183 страницах и снабжена 78 рисунками и 2 таблицами.
К настоящему времени методические возможности такого описания практически исчерпаны, возникают новые научные направления для формирования представлений о теплообмене в газовых турбулентных потоках. Анализ литературных данных позволяет сделать предположение о том, что на первом этапе такие подходы могут быть основаны на представлении о структурах как целостных динамических системах, отличающихся иррегулярным поведением и имеющих сложную зависимость изменения параметров в пространстве и времени.
Следует предположить, что в газовых течениях возникают и исчезают структуры различного типа, каждая из которых участвует в теплообмене, взаимодействует с другими и эволюционирует по своим закономерностям.
Сведений о таких структурах чрезвычайно мало, необходимо тотальное накопление эмпирической информации. Для решения такой задачи потребуется разработка новых полевых методов исследования, обладающих высоким быстродействием и предполагающих дальнейшую обработку на ЭВМ.
Кроме того, известные полевые методы разработаны главным образом для лабораторных исследований, и их применение в промышленности для управления технологическими агрегатами практически невозможно.
Цель работы в теоретическом аспекте состояла в том, чтобы разработать методику обнаружения структурных образований в газовых потоках на основе мгновенных картин полей характеристик, выявить природу этих структур и понять их вклад в теплообмен.
В практическом плане ставилась задача разработать на основе данных о динамике теплопереноса новую концепцию автоматизированного управления технологическими процессами, в которых применяются газовые импактные струи и факела.
Объекты исследований. В целях достижения общности создаваемых методов и представлений были выбраны течения газов, заведомо обладающие различными свойствами: прямоточные свободные и импактные струи, низко- и высокотемпературные газовые среды.
Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые:
- разработана полевая методика определения стохастических характеристик температурного поля в газовых потоках;
- разработан и экспериментально подтвержден способ идентификации структурных элементов в газовых потоках в целях понимания механизма теплообмена и управления этим процессом;
- установлено мгновенное распределение локальной плотности теплового потока при теплоотдаче импактных струй;
- показана зависимость изменения во времени интенсивности теплового взаимодействия факела с окружающей средой;
- выявлена возможность управления средними характеристиками теплообмена в газовых потоках путем наложения низкочастотного воздействия;
- разработаны способы управления теплопереносом в потоке для применения в промышленности.
Достоверность результатов основывается на надежности экспериментальных данных, полученных сочетанием независимых методик исследования и подтвержденных воспроизводимостью результатов измерений, их хорошим согласованием на уровне тестовых опытов с данными других авторов, а также применением комплекса современных методов исследования, подбором измерительной аппаратуры, ее систематической поверкой и тарировкой.
Практическая значимость заключается:
- в определении характеристик вариации теплового потока при теплоотдаче газовых импактных струй, что позволяет оценить влияние этой нестабильности на микроструктуру обрабатываемых с их помощью технологических поверхностей;
- в разработке методики тепловизионного определения интенсивности теплоотдачи газовых потоков в промышленных условиях, конструктивная реализация которой (установка) защищена патентом РФ;
- в создании методики, позволяющей определять структуру факела, а именно: наличие в нем крупномасштабных вихревых структур в целях дальнейшего управления их характеристиками;
- в создании алгоритма и принципиальной схемы автоматизированного управления процессом факельного сжигания органического топлива в энергетических агрегатах на основе тепловизионного сканирования топочного пространства.
Автор защищает:
- методику определения стохастических характеристик поля температуры в газовых потоках и основанный на этой методике способ идентификации возникающих в них структурных элементов - термических областей;
- результаты изучения свойств структурных элементов, полученные нанесением низкочастотного тестирующего воздействия, создаваемого с помощью пульсирующих воздушных микроструй;
- экспериментальные данные по мгновенному распределению локальной плотности теплового потока в импактных струях в зависимости от параметров струйной системы;
- полученные сведения о вариации теплового взаимодействия факела с окружающей средой;
- концепцию определения структуры факела и его положения в топке энергетического агрегата.
Личный вклад автора состоит в том, что им на основе анализа литературных источников поставлены задачи исследования, разработаны основные методики, спроектированы и отлажены экспериментальные установки, проведены опыты, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные, а также предложены пути практической реализации полученных сведений в промышленности.
Реализация работы. Результаты данной диссертационной работы использованы предприятием УралОРГРЭС при разработке метода оптимизации факельного и топочного процессов при наладке котлоагрегатов, при их совершенствовании и реконструкции: в частности, они будут использованы при выполнении проекта реконструкции котельного агрегата БКЗ-160 в целях обеспечения его бесшлаковочной работы при номинальной производительности.
Полученные данные могут быть применены при разработке методики оптимизации характеристик управляющего воздействия на факел при различных режимах работы топочно-горелочных устройств как энергетических, так и промышленных агрегатов.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и были представлены на: XVII Российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2005); Всероссийской научно¬практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2005, 2007); Всероссийской студенческой олимпиаде по энерго- и ресурсосбережению (Екатеринбург, 2005, 2006); четвертой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва 2006); Отчетных конференциях молодых ученых Уральского государственного технического университета - УПИ (Екатеринбург, 2006-2008), а также на семинарах в ГУСО Институте энергосбережения (Екатеринбург), Институте теплофизики СО РАН (Новосибирск), ОАО «Уралмаш-инжиниринг» (Екатеринбург).
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ и получен патент РФ на изобретение, в т.ч. 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 118 наименований, и приложений. Она изложена на 183 страницах и снабжена 78 рисунками и 2 таблицами.
Анализ литературных данных и комплекс проведенных исследований позволяют сделать вывод о перспективности использования разработанной полевой методики для определения стохастических характеристик температурного поля газовых потоков и идентификации на этой основе их термической структуры, а также для разработки методов воздействия на структурообразование в целях управления интенсивностью тепло- и массообмена.
Получены следующие основные результаты:
1. Разработан полевой метод определения термической структуры газовых потоков, позволяющий выявить в них термические области - структурные элементы, применимый как для низко-, так и для высокотемпературных течений.
2. Обнаружен эффект, подобный явлению временной перемежаемости в газовых турбулентных потоках, который заключается в том, что положение в потоке, форма и размеры структурных элементов меняются во времени иррегулярным образом.
3. Выявлено, что размеры отдельной структурной области уменьшаются с возрастанием частоты пульсации контрольного параметра (температуры).
4. Путем нанесения тестирующего воздействия с помощью пульсирующих микроструй было показано, что структурные элементы, образующиеся в струях и факелах, имеют разную природу, поскольку, судя по виду спектра, наблюдаются разные, а именно линейный и нелинейный, отклики на тестирующее воздействие.
5. Установлена возможность управления средним значением плотности теплового потока при теплоотдаче в импактных струях вследствие изменения структуры течения путем нанесения низкочастотных воздействий.
6. На основе полученных сведений была разработана промышленная методика установления границ факела на фоне технологической поверхности и распознавания его внутренней структуры, на основе которой создана концепция автоматизированной системы управления.
7. Для системы автоматизированного управления теплообменом между газовым потоком и технологической поверхностью была разработана установка для определения характеристик теплоотдачи, конструктивное исполнение которой защищено патентом РФ.
Получены следующие основные результаты:
1. Разработан полевой метод определения термической структуры газовых потоков, позволяющий выявить в них термические области - структурные элементы, применимый как для низко-, так и для высокотемпературных течений.
2. Обнаружен эффект, подобный явлению временной перемежаемости в газовых турбулентных потоках, который заключается в том, что положение в потоке, форма и размеры структурных элементов меняются во времени иррегулярным образом.
3. Выявлено, что размеры отдельной структурной области уменьшаются с возрастанием частоты пульсации контрольного параметра (температуры).
4. Путем нанесения тестирующего воздействия с помощью пульсирующих микроструй было показано, что структурные элементы, образующиеся в струях и факелах, имеют разную природу, поскольку, судя по виду спектра, наблюдаются разные, а именно линейный и нелинейный, отклики на тестирующее воздействие.
5. Установлена возможность управления средним значением плотности теплового потока при теплоотдаче в импактных струях вследствие изменения структуры течения путем нанесения низкочастотных воздействий.
6. На основе полученных сведений была разработана промышленная методика установления границ факела на фоне технологической поверхности и распознавания его внутренней структуры, на основе которой создана концепция автоматизированной системы управления.
7. Для системы автоматизированного управления теплообменом между газовым потоком и технологической поверхностью была разработана установка для определения характеристик теплоотдачи, конструктивное исполнение которой защищено патентом РФ.