Исследование газодинамических процессов взаимодействия хордальных газовых струй с вихревым воздушным потоком

АКТУАЛЬНОСТЬ. Основным элементом блочных горелок является сопловой блок, от которого зависит эффективность и надежность работы горелочного устройства. Большая часть серийно выпускаемых сопловых блоков имеет в своей конструкции диск с закручивающими лопатками для турбулизации потока, однако такие диски создают значительное газодинамическое сопротивление.
ЦЕЛЬ. Исследование влияния углов подачи горючего газа (угол к оси β и угол хорды α) на распределение газа по сечениям цилиндра, степень закрутки потока и степень разрежения с принудительной подачей воздуха осевым вентилятором без использования закручивающих дисков.
МЕТОДЫ. Исследования проводились численным методом для изотермических струй и потока в программном комплексе ANSYS Fluent с использованием модели турбулентности SST k-ω.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Установлено, что минимальный коэффициент вариации для всех рассмотренных конфигураций обеспечивается при вихревом числе порядка S=0,4-0,5. Степень разрежения зависит от комбинации углов β и α, максимальное разрежение было достигнуто при β = 90°/α = 15°. Скорость крутки зависит как от вихревого числа S, так и от комбинации углов β и α, причем для каждого угла β существует собственный диапазон изменения S для поддержания максимальной скорости крутки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Найдена конфигурация (β = 90°/α = 26°) для достижения компромисса между высокой степенью крутки (S=0,58-0,48), протяженной зоной разрежения (с пиковой точкой -433 Па) и равномерным распределением газа в сечениях соплового блока: коэффициент вариации изменялся в пределах от 41% (1 калибр от точки ввода) до 13% (выходное сечение) Результаты работы имеют практическую ценность для проектирования горелочных устройств и проведения дальнейших расчетов с использованием модели горения.

1. Таймаров М.А., Ахметова Р.В., Сунгатуллин Р.Г., др. Образование и способы снижения оксидов азота в котлах тг-104 с прямоточно-вихревыми горелками и периферийной подачей газа // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2016. №9-10. С. 83-90.

2. Евдокимов О.А. Научные основы организации горения в массивах противоточных и комбинированных закрученных струй: Дис. ... д-ра. техн. наук. Рыбинск; 2022. Доступно по: https://www.dissercat.com/content/nauchnye-osnovy-organizatsii-goreniya-v-massivakh-protivotochnykhi-kombinirovannykh-zakruch. Ссылка активна на 11 октября 2025.

3. Леонтьев А.И., Кузма-Кичта Ю. А., Веретенников С. В., др. Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках // Теплофизика высоких температур. 2021. №5(59). С. 774-789.

4. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Электроприводы переменного тока. М.: Мир, 1987. 588 с.

5. Danyang W., Dongxin H., Jianguo X., et al. Influences of Dual Air-Swirler Angles on Swirling Injection and Combustion of Kerosene-Air at a Supercritical Pressure // Aerospace Research Communications. 2025. Vol. 3.

6. Bekhradinasab A., Vakilipour S., Al-Zaili J. Influence of swirl number and air preheating on turbulent mixing in hydrogen–methane blends within a swirl-stabilized burner // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2025. Vol. 239.

7. Меламед Л.Э., Филиппов Г.А. Моделирование турбулентности как «вихревой засыпки» // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2017. №9-10(19). С. 122-132.

8. Soroush S. Properties of turbulent non-premixed methane/air flames in a miniature-scale swirl burner under different coaxial airflow swirl numbers // Future Energy. 2022. Vol. 2. pp. 27-37.

9. Xiangyun L., Zhu L., Liangde L., et al. Combustion characteristics of dual swirl low nitrogen burners in small gas boilers // Thermal Science. 2025. p. 152.

10. Sun M., Yali S., Yu G., et al. Numerical Investigation of Flow and Flame Structures in an Industrial Swirling Inverse Diffusion Methane/Air Burner // Fire. 2024. Vol. 7. p. 237.

11. Павлов Г.И., Теляшов Д.А., Шайхутдинов Я.О. Сопловой блок блочной горелки с хордальными газовыми струями // Горение топлива: теория, эксперимент, приложения: Сб. тезисов докладов XII Всерос. конф. с междунар. участием; 11-14 ноября 2024 г., Новосибирск: ИТ СО РАН, 2024. С. 76.

12. Вафин Д.Б. Тепловые и аэродинамические параметры камеры радиации печи пиролиза углеводородов // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2022. №3(24). С. 198-210.

13. John G., Ephraim S., John A., et al. Evaluation of the efficacy of turbulence models for swirling flows and the effect of turbulence intensity on heat transfer // Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals. 2016. Vol. 70. N6. pp. 485–502.

14. Шайхутдинов Я.О., Павлов Г.И., Накоряков П.В., и др. Исследование хордальных струй в реагирующих смесях численным методом // Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием «Актуальные проблемы механики сплошной среды — 2025»; 29 сентября — 3 октября 2025 г., Казань: Казанский ун-т, 2025. С. 635-640.

15. Павлов Г.И. Инжекционный смеситель горелки. Патент РФ на полезную модель №192541. 23.09.2019. Бюл. №27. Доступно по: https://patents.google.com/patent/RU192541U1. Ссылка активна на 11 октября 202