Экспериментальные методы диагностики турбулентных газовых пламен

Одним из направлений исследования лаборатории являются газовые турбулентные пламена и поиск возможности эффективного управления процессом горения. Как основа исследования, рассмотрено влияние пламени на структуру и динамику самого течения, характеристики формирующихся наиболее энергоемких вихрей [3]. На данном этапе работ анализируется эффективность использования закрутки потока и возмущения расхода смеси с целю управления течением, вихревыми структурами и процессом горения [1]. Данное видеo демонстрирует PIV эксперимент, в котором на основание поднятого факела пропана воздействуют почти регулярные вихревые структуры, вызванные периодическим возмущением, что повышает стабильность пламени и позволяет организовать горение при значительно меньшем сажеобразовании [4].

Рис. 1 Последовательные мгновенные трехмерные поля скорости измеренные методом Tomographic PIV для (а) изотермического струйного течения и (b) поднятого пропано-воздушного пламени. Направление векторов скорости и их величина представлена для центрального сечения потока. Высота стабилизации фронта пламени составляет около 20 мм.

В лаборатории используется два рабочих стенда для организации турбулентных газовых пламен:

1. Осесимметричный сопловой блок, позволяющий проводить фундаментальные исследований влияния закрутки потока на режим горения пламени. С этой целью организовано вращение самого соплового блока вокруг оси симметрии, относительно внешнего воздуха. Таким образом, реализована возможность непрерывного изменения степени закрутки потока с каноническим распределением скорости, что позволяет не только выполнить фундаментальные исследования влияния закрутки потока на структуру и режимы горения пламени, но и изучить динамику системы поток-пламя в зависимости от предыстории изменения закрутки.

Рис. 2 Осесимметричный сопловой блок ("вращающееся сопло")

2. Модельная камера сгорания газотурбинного типа с возможностью оптического доступа. Стенд позволяет проводить исследования процесса турбулентного горения закрученного газового пламени в цилиндрической камере сгорания оптическими методами. Боковые стенки камеры выполнены из кварцевого стекла и способны выдержать избыточное давление свыше 6 атмосфер. Полученные скоростным PIV методом фазово-осредненные поля скорости, представленные на Рис 2, демонстрируют, что, не смотря на большие отличия между осредненной во времени структурой сильнозакрученного течения с горением (b) и без него (a), динамика потоков определяется прецессией вихревого ядра с образованием пары наиболее энергоемких спиральных вихрей.

Рис. 3 Метано-воздушное пламя в модельной камере сгорания с сильной закруткой потока

Рис. 4 Когерентные вихревые структуры в сильнозакрученном потоке без горения (а) и при горении (b) метано-воздушной смеси. Поле скорости получено методом PIV с условным осреднением, изоповерхности соответствуют положительной величине Q-критерия.

Публикации:

  1. Alekseenko S.V., Dulin V.M., Kozorezov Y.S. and Markovich D.M. Effect of high-amplitude forcing on turbulent combustion intensity and vortex core precession in a strongly swirling lifted propane/air flame // Combustion Science and Technology, 2012, Vol. 184, pp. 1862–1890
  2. Дулин В.М., Маркович Д.М., Минаков А.В., Ханъялич К., Чикишев Л.М., Экспериментальное и численное моделирование закрученного течения в камере сгорания // Известия РАН. Энергетика, 2013 № 3, с. 137-147
  3. Abdurakipov S.S., Dulin V.M., Markovich D.M. and Hanjalic K. Determining instability modes in a gas flame // Technical Physics Letters, 2013, Vol. 39, No. 3, pp. 308–311
  4. Abdurakipov S.S., Dulin V.M., Markovich D.M. and Hanjalic K. Expanding the stability range of a lifted propane flame by resonant acoustic excitation. // Combustion Science and Technology, 2013, in press
  5. D.M. Markovich, S.S. Abdurakipov, L.M. Chikishev, V.M. Dulin PIV study of vortex breakdown in low- and high-swirl flames in a model combustor // Proceedings of 10th International Symposium on Particle Image Velocimetry - PIV13, Delft, The Netherlands, July 2-4, 2013