Актуальность темы (проблемы). Газовые струйные течения, в частности соударяющиеся низкотемпературные струи и факелы, широко применяются в различных промышленных технологиях. Исследованию их главным образом газодинамических свойств посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ, базирующихся, как правило, на квазистационарном подходе к описанию явлений переноса.
При изучении соударяющихся струй большинство авторов уделяет основное внимание итоговому, результирующему течению, и лишь в отдельных работах рассматриваются вопросы формирования области соударения, хотя именно из нее проистекает результирующий поток. В литературе практически отсутствуют сведения о закономерностях теплообмена в области соударения, не раскрыт механизм теплопереноса при соударении струй.
Для решения задач изучения области ударного взаимодействия, а также для разработки способов количественной оценки характеристик теплообмена при смешении потоков необходимо применение иных, по сравнению с ранее использованными, методов исследования, позволяющих получать информацию о мгновенном поле значений характеристических величин.
Кроме того, применение в промышленности таких полевых методик открывает перспективу создания новых способов управления энергетическими агрегатами, использующими соударяющиеся газовые потоки, что позволит повысить точность и качество управления технологическим процессом.
Цель работы в теоретическом аспекте состояла в том, чтобы разработать полевую методику идентификации структур в области взаимодействия соударяющихся струй, создать способы количественной оценки теплообмена при соударении струй с разной температурой и способы расчета теплонапряженности зоны взаимодействия для равнонагретых высокотемпературных потоков.
В практическом плане ставилась задача разработать на основе данных о динамике теплопереноса новую концепцию автоматизированного управления технологическими процессами, в которых применяются соударяющиеся газовые струи и факелы.
Объекты исследований. В целях достижения общности методов исследования и последующих представлений были выбраны течения газов,
заведомо обладающие различными исходными свойствами: низко- и высокотемпературные соударяющиеся газовые струи.
Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые:
- разработан полевой метод определения границ и идентификации термической структуры области соударения газовых потоков;
- обнаружены режимы термомеханического взаимодействия потоков, значительно отличающиеся от существующих представлений;
- выявлено, что режим термомеханического взаимодействия потоков определяющим образом зависит от безразмерной разности температур соударяющихся течений;
- разработан метод количественной оценки теплопереноса при
встречном взаимодействии потоков с разной температурой;
- найдена зависимость изменений характеристик теплообмена соударяющихся струй от различных факторов;
- разработана методика анализа локальной теплонапряженности в зоне столкновения факелов;
- предложен способ быстродействующего фазочастотного анализа соударяющихся факелов, позволяющий уточнить сведения о структуре потока;
- разработаны методики комплексного вейвлет-анализа, непрерывного и дискретного вейвлет-анализа и метод анализа главных компонент для идентификации структурных образований в свободных и соударяющихся факелах;
- установлено, что в газовых факелах существуют структурные области, в которых температура при одинаковой частоте пульсирует в разных фазах;
- создана промышленная методика, позволяющая установить границы факела на фоне технологической поверхности и распознать возникающие в нем структурные образования;
- предложены практические методики регистрации наличия в рабочем пространстве газовых струй и определения координат области их взаимодействия;
- разработан способ управления местоположением области взаимодействия газовых струй.
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 теплообмена при соударении прямоточных газовых струй и обобщение их в виде критериального уравнения, что может быть применено в инженерных расчетах;
- в разработке методики тепловизионного определения области взаимодействия струй в промышленных условиях, реализация которой (полезная модель) защищена патентом РФ;
- в создании алгоритма и принципиальной схемы автоматизированного управления положением области взаимодействия факелов в рабочем пространстве энергетических агрегатов на основе тепловизионного сканирования топочного пространства;
- в создании методики, позволяющей определять локальную теплонапряженность при взаимодействии факелов и тем самым оценить интенсивность процессов в зоне соударения.
Автор защищает:
- методику идентификации термической структуры течения в области взаимодействия соударяющихся прямоточных газовых потоков и полученные с ее помощью сведения о структурных образованиях в этой зоне;
- методику количественной оценки теплопереноса при взаимопроникновении встречных газовых течений и экспериментальные данные по теплообмену соударяющихся прямоточных газовых струй в зависимости от параметров струйной системы;
- методику идентификации структурных образований в отдельном факеле и системах факелов;
- способ определения координат расположения области взаимодействия факелов в топочном пространстве 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.
Автором разработана методика оценки теплового взаимодействия и теплонапряженности области соударения газовых потоков, а также методики Фурье-анализа и вейвлет-анализа последовательностей термограмм с целью выявления турбулентных структур в потоке.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и были представлены на: XVIII всероссийской научно-практической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2012); на VIII международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия - 2013» (Иваново, 2013); на семинарах в Институте теплофизики УрО РАН (Екатеринбург, 2013).
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ и получен патент РФ на полезную модель, в т.ч. 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и 2 статьи в международных рецензируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 121 наименование, и приложений. Диссертация изложена на 129 страницах и снабжена 75 рисунками.
Анализ литературных данных и комплекс проведенных исследований позволяют сделать вывод о перспективности использования разработанной полевой методики для идентификации термической структуры и определения характеристик теплового взаимодействия соударяющихся газовых потоков, а также для разработки методов управления технологическими процессами, построенными на встречных газовых струях.
Получены следующие основные результаты:
1. Разработан полевой метод идентификации структуры течения газовых потоков с помощью тепловизора.
2. Обнаружены термомеханические режимы взаимодействия соударяющихся потоков, значительно отличающиеся по структуре течения в области столкновения.
3. Выявлено, что режим взаимодействия зависит определяющим образом от безразмерной разности температур соударяющихся струй.
4. Разработаны методы количественной оценки интенсивности теплообмена между соударяющимися низкотемпературными газовыми струями и анализа его «термонапряженности».
5. Предложена методика численной оценки локальной теплонапряженности системы взаимодействующих факелов.
6. Создана методика фазо-частотного быстродействующего анализа структуры взаимодействующих факелов.
7. На основе полученных сведений была разработана промышленная методика установления границ факела на фоне технологической поверхности и распознавания его внутренней структуры, для реализации которой создана концепция автоматизированной системы управления, а также написана программная реализация алгоритма идентификации.
8. Для системы автоматизированного управления положением области взаимодействия газовых струй была создана опытная установка для определения геометрических координат области взаимодействия и управления ее местоположением в рабочем пространстве технологического агрегата, конструктивное исполнение которой защищено патентом РФ на полезную модель.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
