Аксиальное распределение температуры газа и скорости звука в трубе с закрученным пламенем

Ранее было проведено экспериментальное и теоретическое исследование пульсационного горения в трубе с тангенциальной подачей смеси пропан-бутанового топлива с воздухом. Было обнаружено, что результаты расчета частот колебаний газа значительно расходятся с экспериментальными данными. Одной из причин является гипотетический характер аксиального распределения скорости звука в камере сгорания. В данной работе это распределение находится на основании расчетно-экспериментальных данных о температуре газа.

ЦЕЛЬ. Определение аксиального распределения скорости звука в трубе с тангенциальной подачей смеси пропан-бутанового топлива с воздухом на основании результатов расчета температуры газа на входе трубы и результатов измерений температуры газа на выходе трубы.

МЕТОДЫ. Использовалось известное соотношение, связывающее скорость звука с температурой газа. Средняя по сечению температура газа на входе трубы находилась по известной полуэмпирической формуле. Вычисляя соответствующую скорость звука, определяем первый коэффициент линейного распределения скорости звука вдоль трубы. Скорость звука на выходе трубы вычислялась после усреднения значении температуры газа, измеренных термопарой вблизи стенки трубы и на её оси. Разница скоростей звука на концах трубы, отнесенная к её длине – это градиент скорости звука, т.е. второй коэффициент искомого распределения.

РЕЗУЛЬТАТЫ. В работе описаны теоретическое и экспериментальное исследование пульсационного горения в трубе с тангенциальной подачей смеси пропан-бутанового топлива с воздухом. Получены зависимости коэффициентов распределения скорости звука от коэффициента избытка воздуха смеси пропан-бутанового топлива с воздухом и амплитуды колебаний давления на входе рассматриваемой экспериментальной камеры сгорания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Разработана расчетно-экспериментальная методика определения аксиального распределения скорости звука в трубе при горении в закрученном потоке. Для рассмотренной экспериментальной установки показано, что максимальное значение модуля градиента скорости звука соответствует коэффициенту избытка смеси пропан-бутанового топлива с воздухом, равному единице. Для всех значений коэффициента избытка воздуха градиент скорости звука в режиме пульсационного горения в 1,52 раза больше, чем при горении без колебаний газа. Полученные результаты будут использованы для расчета условий возбуждения и частоты колебаний газа в рассматриваемой экспериментальной камере сгорания.

1. T. Lieuwen, B.T. Zinn, Theoretical investigation of combustion instability mechanisms in lean, premixed gas turbines, AIAA Paper (1998) 98-0641.

2. A.S. Morgans, S.R. Stow, Model-based control of combustion instabilities in annular combustors, Combustion and Flame 150 (2007) 380-399.

3. D. Durox, J.P. Moeck, J.F. Bourgouin, T. et al. Flame dynamics of a variable swirl number system and instability control, Combust. Flame 160 (2013) 1729-1742.

4. Wu G. et al. Characterizing nonlinear interaction between a premixed swirling flame and acoustics: Heat-driven acoustic mode switching and triggering // Energy. – 2018. – Т. 158. – С. 546-554.

5. A.M. Steinberg, I. Boxx, M. Stӧrh, et al. Flow-flame interactions causing acoustically coupled heat release fluctuations in a thermo-acoustically unstable gas turbine model combustor, Combust. Flame 157 (2010) 2250-2266.

6. Bloom F., Terlyga O., Patterson T. Perturbation analysis of self-sustained oscillations in a pulse combustion model // Nonlinear Analysis: Real World Applications. – 2010. – Т. 11. – №. 4. – С. 2314-2334.

7. S. Kato T., Fujimori A.P. Dowling, et al. Effects of heat release ditribution on combustion oscillation, Proceedings of the combustion institute 30 (2005) 1799-1806.

8. Iovleva O.V., Larionov V.M., Semenova E.V. Frequencies of gas oscillations in a pipe with a concentrated heat source // Journal of Physics: Conference Series 669 (2016) 012023 doi:10.1088/1742-6596/669/1/012023.

9. Malakhov A. O. et al. Analysis of the effect of combustion chamber length on the gas oscillations characteristics // Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2021. – Т. 1923. – №. 1. – С. 012023.

10. Malakhov A. O. et al. Acoustic oscillations of the gas with axial distribution of average temperature in the vortex combustion chamber // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2021. Т. 1923. – №. 1. – С. 012022.

11. Malahov A. O. et al. Pulsating combustion of propane-butane fuel mixture with air in a vortex combustion chamber // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2020. Т. 1588. №. 1. С. 012026.

12. Хайбуллина А. И., Зиннатуллин Н. Х., Ильин В. К. Повышение эффективности работы теплообменного оборудования использованием пульсационных методов очистки // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. – 2021. – Т. 23. – №. 1. – С. 59-67.

13. Семенова Е. В. и др. Частоты колебаний газа при горении твердого топлива в коаксиальных трубах // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. – 2017. – Т. 19. – №. 1-2. – С. 164-169.

14. Ларионов В. М., Зарипов Р. Г. Автоколебания газа в установках с горением // Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та. – 2003.

15. Семенова Е. В., Ларионов В. М., Ваньков Ю. В. Термодинамический и акустический анализ пульсационного горения твердого топлива в устройстве типа резонатора Гельмгольца // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. – 2018. – Т. 20. – №. 5-6. – С. 141-147.