Исследование пульсационных характеристик потока в модели усовершенствованной вихревой топки

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №3/2016 ISSN 2410-6070_

УДК 621.18, 533.6.08, 534.612

И.С. Ануфриев, Е.Ю. Шадрин, О.В. Шарыпов

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН Г. Новосибирск, Российская Федерация

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА В МОДЕЛИ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ВИХРЕВОЙ ТОПКИ

Аннотация

В статье представлены результаты экспериментального исследования пульсаций давления и скорости потока в модели вихревой топки усовершенствованной конструкции с распределенной подачей топливно-воздушных струй и вертикально расположенными соплами вторичного дутья. Пульсационные характеристики турбулентного закрученного течения измерены с помощью трехкомпонентной лазерной доплеровской измерительной системы и анализатора пульсаций давления. Результаты свидетельствуют об отсутствии прецессии вихревого ядра, что на практике является одним из важных достоинств исследуемой конструкции топки.

Ключевые слова

Вихревая топка, физическое моделирование, лазерная доплеровская анемометрия, пульсации скорости и давления, устойчивость стационарной структуры вихревого потока.

С целью интенсификации процессов сжигания угольного топлива в теплоэнергетике широко применяются вихревые технологии. Закрутка потока в топочной камере приводит к лучшему заполнению объема камеры реагирующей смесью, интенсификации процессов тепломассопереноса за счет усиления перемешивания и увеличения времени пребывания частиц топлива в камере горения, а следовательно - к уменьшению габаритов котлоагрегата. Однако для интенсивно закрученных потоков при определенных условиях свойственна потеря устойчивости стационарного режима, которая может выражаться в возникновении прецессии вихревого ядра (ПВЯ). Интенсивные пульсации давления, связанные с ПВЯ, являются причиной износа энергоустановок и ухудшения рабочих характеристик вихревых аппаратов и оказывают негативное влияние на протекание топочных процессов. Поэтому для повышения эффективности и надежности работы вихревых топочных устройств на стадии разработки необходимо исследование возможных нестационарных эффектов, возникающих в рабочих участках.

В предыдущей работе авторов [1, с. 25] была визуализирована вихревая структура потока в модели усовершенствованной вихревой топки с распределенной подачей топливно-воздушной смеси и вертикально расположенными соплами вторичного дутья. Полученные результаты основывались на измерении осредненных по времени характеристик потока и не позволяли сделать однозначный вывод о динамике вихревого ядра. Целью данной работы является экспериментальное исследование пульсационных характеристик потока в данной модели вихревой топки. Ее основными элементами являются (рис. 1-а): футерованная вихревая камера сгорания с тангенциальным подводом струй аэросмеси, создающих вихревой факел; диффузор; камера охлаждения, заканчивающаяся горизонтальным газоходом. Отличительной особенностью данной конструкции, в частности, от ранее исследованной [2, с. 41] (в которой дополнительный тангенциальный ввод расположен в нижней части камеры сгорания), является вертикальное расположение сопел вторичного дутья, а также наличие «козырька» внутри вихревой камеры для предотвращения выноса топливных частиц из камеры сгорания. Наличие рассредоточенных по периметру условной окружности камеры сгорания горелочных струй в данной топке, позволяет управлять структурой течения и режимными параметрами. Преимущества данной конструкции вихревой топки описаны в работе [1, с. 25].

Исследования проводились на изотермической лабораторной модели вихревой топки, выполненной из оргстекла (рис. 1-а). Габаритные размеры модели составляют 32x1200x256 мм, диаметр вихревой камеры горения 320 мм.

Рисунок 1 - Схема лабораторной модели усовершенствованной вихревой топки (а): 1 - основные сопла, 2 -

вторичные сопла, 3 - камера сгорания, 4 - диффузор, 5 - камера охлаждения, 6 - газоход; схема экспериментального стенда для исследования внутренней аэродинамики вихревой топки (б): 1 - магистраль подачи сжатого воздуха, 2 - запорный кран, 3 - запорно-регулирующий клапан с электроприводом, 4 -преобразователь расхода, 5 - шкаф управления, 6 - манометры, 7 - дымогенератор, 8 - модель вихревой топки, 9 - вентиляция, 10 - лазерная доплеровская измерительная система, 11 - компьютер

На фронтальной стенке под углом 30° к горизонту симметрично расположены два прямоугольных сопла, соответствующие горелочным амбразурам. На задней стенке вертикально расположены дополнительные сопла. Отношение ширины горловины диффузора к диаметру камеры сгорания составляет 0.375. Углы раскрытия диффузора составляют 40°. «Козырек», расположенный под основными соплами и выполненный в виде дуги окружности (радиус в два раза меньше радиуса камеры сгорания), препятствует подпиранию основных струй и выносу потока из камеры сгорания.

Исследования внутренней аэродинамики модели вихревой топки выполнялись на модернизированном экспериментальном стенде (рис. 1-б). Поток сжатого воздуха из магистрали подавался в модель вихревой топки через вихревой расходомер, синхронизированный с запорно-регулирующим клапаном с электроприводом, с целью стабилизации заданного расхода. При этом контролировалось давление и температура до и после клапана. Измерения выполнялись в диапазоне значений числа Рейнольдса 105 < Re < 4-105, рассчитанном по диаметру камеры сгорания (320 мм) и скорости потока на выходе из верхних горелок (и0 = 5-20 м/с). При этих условиях ^е > 104) обеспечивается автомодельность режима и применимость результатов физического моделирования для анализа структуры изотермического течения в полноразмерной топке.

Измерения пульсаций давления проведены при помощи анализатора шума Вгие1&К)аег (предел измерения давления - до 103.5 кПа, частота измерений 4 Гц - 20 кГц, чувствительность 54.9 мВ/Па) по аналогии с работой [3, а 807]. Датчик помещался внутрь вихревой камеры сгорания при помощи металлического отборника - тонкостенной трубки с диаметром 2.2 мм и длиной 160 мм. Передаточная функция отборника представлена в работе [4, а 251], где показана его применимость без корректировки до частот ~100 Гц. Измерения проводились в течение 14 секунд вблизи условного центра вихревой камеры (х = у = 160 мм, г = 125 мм) при различных режимных параметрах (и0 = 5-20 м/с). Сигнал, оцифрованный с помощью АЦП (L-CARD E14-440), раскладывался в спектр с использованием быстрого преобразования Фурье.

На рис. 2-а представлен характерный спектр давления с основным пиком на частоте около 50 Гц и меньшими пиками на кратных и иных частотах. Спектр имеет сложный вид, в нем представлен набор собственных частот колебательных систем (которые можно оценить по формуле для резонатора Гельмгольца, используя характерные геометрические параметры модели топки, а также воздушного и вентиляционного трактов). Диапазон этих частот 5-200 Гц. Важно, что основная частота пульсаций давления не зависит от режимных параметров: она остается постоянной в широком диапазоне изменения расхода

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №3/2016 ISSN 2410-6070_

воздуха, т.е. соответствует собственным колебаниям системы как акустического резонатора. Амплитуды регистрируемых пиков в спектре малы, что характерно для слабых случайных шумов, но не для организованной динамики потока. Тем самым, заметных пульсаций давления с частотой, зависящей от расхода, которые могли бы свидетельствовать о наличии прецессии вихревого ядра потока (как, например, в работе [5, c. 129]), не обнаружено.

1,5

0 50 100 150 200 о 50 100

/Гц /Гц

Рисунок 2 - Характерные спектры пульсаций

Анализа пульсаций скорости потока осуществлялся на основе измерений скорости с помощью трехкомпонентного лазерного доплеровского анемометра ЛАД-056 (частота измерений ~ 500 Гц). В основе метода лазерной доплеровской анемометрии лежит измерение перемещений взвешенных в потоке частиц (трассеров). Поток засеивался микрокаплями специальной жидкости на основе глицерина (размер трассеров до 5 мкм). Более подробно методика измерений описана в работах [1, c. 25; 2, c. 41; 6, c. 104]. Поскольку трехкомпонентный полупроводниковый лазерный доплеровский анемометр ЛАД-056 измеряет дважды компоненту вектора скорости, перпендикулярную плоскости расположения прибора, а две другие компоненты восстанавливаются из геометрии лазерных лучей [6, c. 104], то для обработки выбрана вертикальная компонента вектора скорости. Данные, взятые для той же точки, в которой измерялись пульсации давления, были интерполированы на эквидистантную по времени сетку при помощи пакета Origin 8.0. Далее к обработанным данным была применена процедура быстрого преобразования Фурье для анализа спектральных характеристик. Полученный спектр представлен на рис. 2-б. Вид полученных спектров говорит о том, что выраженная ПВЯ для данной конструкции вихревой топки не наблюдается.

Результаты проведенного спектрального анализа пульсаций давления и скорости турбулентного закрученного потока свидетельствуют об устойчивости стационарной структуры вихревого ядра потока в модели усовершенствованной вихревой топки с распределенной подачей топливно-воздушных струй и вертикально расположенными соплами вторичного дутья. Отсутствие негативных эффектов, связанных с прецессией вихревого ядра служит одним из важных практических достоинств исследуемой конструкции топки.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 14-19-00137).

Список использованной литературы:

1. Аэродинамика перспективной конструкции вихревой топки / Ануфриев И.С., Стрижак П.А., Чернецкий М.Ю., Шадрин Е Ю., Шарыпов О.В. // Письма в ЖТФ. 2015. Т.41. В.15. С.25-32.

2. Моделирование топочных процессов при сжигании распыленного угля в вихревой топке усовершенствованной конструкции. Часть 1. Аэродинамика течения в вихревой топке / Красинский Д.В., Саломатов В.В., Ануфриев И.С., Шарыпов О.В., Шадрин Е.Ю., Аникин Ю.А. // Теплоэнергетика. 2015. №2. С.41-46.

3. Диагностика пространственной структуры вихревого потока в модели вихревой топки / Аникин Ю.А., Ануфриев И.С., Шадрин Е.Ю., Шарыпов О.В. // Теплофизика и аэромеханика. 2014. Т.21. №6. С.807-810.

4. Experimental study and analytical reconstruction of precessing vortex in a tangential swirler / Litvinov I.V., Shtork S.I., Kuibin P.A., Alekseenko S.V., Hanjalic K. // Int. J. Heat and Fluid Flow. 2013. Vol.42. pp. 251-264.

5. Литвинов И.В., Шторк С.И., Алексеенко С.В. Экспериментальное исследование сильнозакрученного течения в тангенциальном завихрителе // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2012. № 3(91). С.129-135.

6. Визуализация структуры потока в вихревой топке / Ануфриев И.С., Красинский Д.В., Шадрин Е.Ю., Шарыпов О.В. // Письма в ЖТФ. 2014. Т.40. В.19. С.104-110.

© Ануфриев И.С., Шадрин Е.Ю., Шарыпов О.В., 2016

УДК 519.8

Ю.В. Мартыненко

К.ф.-м. н., доцент Факультет экономики Ульяновский государственный университет Г. Ульяновск, Российская Федерация

ПОСТРОЕНИЕ ВЕСОВЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСА

Аннотация

Рассматривается метод определения весовых коэффициентов, которые можно использовать при построении числовой оценки качества Интернет-ресурса. Изучаются способы корректировки полученных результатов в случае, когда они несогласованны с математической точки зрения.

Ключевые слова

Качество Интернет-ресурса. Экспертные оценки. Метод анализа иерархий.

В настоящее время сеть Интернет можно считать самой глобальной и совершенной системой передачи, поиска и получения необходимой пользователю информации при минимальных затратах времени и сил. Начиная с 1990-х гг., в процесс активной работы с сетью вовлекались все новые и новые группы пользователей. В последнее время появился такой термин, как «третья платформа»: это стремительно растущее количество постоянно подключенных к Интернету мобильных устройств, владельцы которых создают все больший и больший объем информации [4].

В результате важное значение приобретает проблема качества размещаемых в сети Интернет ресурсов. Пользователь теперь нуждается не только в самом факте получения нужной информации, но и в том, насколько быстро и с каким удобством он сможет это сделать. Поэтому владельцы Интернет-ресурсов должны поддерживать их качество на должном уровне.

Однако само понятие «качество Интернет-ресурса» с трудом поддается четкой формализации. Необходимо учитывать множество разнообразных факторов, и не всегда получаемая оценка является объективной. Тем не менее, разработка конкретных рекомендаций по нахождению числовых оценок в данном вопросе является важной практической задачей [2].

В работе [3] были выделены 8 аспектов, по которым должна проводиться оценка: прозрачность, эффективность, доступность, поддержка, ориентация на пользователя, реактивность, совместимость, управляемость. Предлагалось оценивать каждый принцип на основе перечня утверждений, отражающих качество Интернет-ресурса в данном аспекте, выбрав числовую шкалу для участников процедуры.

Если определить весовые коэффициенты важности каждого принципа, то можно использовать