На рис.1.30 приведен эскиз экспериментальной топки Меж­дународной организации исследования горения (IFRF) с пе­ременным отводом тепла, использованной для подробного экс­периментального исследования гидродинамики и теплообмена. Топка имеет длину примерно 6,3 м и поперечное сечение 2Х2 м. Она состоит из 17 поперечных охлаждаемых водой секций. Горелка и труба расположены в центре торцевых по­верхностей. Во время испытаний серии М-3 использовались две высокоскоростные туннельные горелки для природного газа, показанные на рис.1.31, в которых достигается полное сгора­ние на выходе из горелки. Продукты сгорания по­ступают в топку без закрутки и горизонтально или под углом 25° к горизонту. В предыдущих испытаниях в IFRF были исследованы пламе­ни распыленной нефти и измельченного в порошок угля с за­круткой.

Рис.1.30. Экспериментальная топка IFRF для исследования теплообмена в се­рии испытаний М-3.

Существует много различных типов топок - топка котла электростанции отличается, например, от топок в металлургической и обрабатывающей промышленностях. Топки играют важнейшую роль в современном обществе, и их эффективность и характеристики загрязнения среды могут привести к далеко идущим последствиям. Однако во всех случаях особенно важ­ной является возможность управления пламенем с целью со­здания заданных распределений лучистого и конвективного теплообмена, полного сгорания, предотвращения шума, пульса­ции и чувствительности к изменениям свойств топлива. В боль­шинстве топок пламени придается некоторая закрутка с целью повышения устойчивости, тогда как в некоторых других случаях, например в котлах с тангенциальной подачей топли­ва, потоки на входе направляются тангенциально к огневому ядру, образующемуся в центре камеры.

Рис.1.31. Конструкции высокоскоростных туннельных горелок: а - горизонтальная; б - наклонная.

Тогда в камере с закруткой возникает слабый эффект циклонного типа или в ре­зультате получается циклонная камера с движением закру­ченного потока относительно геометрической оси оборудования. Важными конечными характеристиками процесса являются температура, распределение тепловых потоков на стенках и эффективность сгорания, и они непосредственно связаны с об­разованием загрязняющих веществ, таких, как сажа и оксиды азота. Конструктору и оператору необходимо знать, как эти параметры зависят от количества движения и угла подачи струй топлива, температуры предварительно подогретого возду­ха и формы камеры. Ясно, что проблема моделирования очень сложна, она включает взаимодействие турбулентного горения многих химических компонент с многофазными процессами (частицы жидкого или твердого топлива и углерода в поле те­чения) и с лучистым теплопереносом. Как указывается в лите­ратуре, моделирование в той или иной степени включает рас­пределение по размерам частиц (рассчитанное в диапазонах конечных размеров во всех точках области), потоковые или. зонные характеристики лучистого теплопереноса и данные о рас­пределении сажи (сажа образуется в результате термического разложения углеводородов и ликвидируется окислением; оба процесса представляют собой сложную задачу химической ки­нетики).

В случае турбулентных диффузионных пламен процесс сгорания определяется структу­рой потока и смешением. В обзоре обсуждаются методы рас­чета, основанные на законах подобия турбулентных струй, тео­рии потока в гомогенном реакторе и на полных уравнениях в частных производных для турбулентного течения. При сгора­нии капель и частиц необходимо учитывать скорости гетероген­ных реакций и требуется знать распределения частиц по раз­мерам и в пространстве. Эмиссия загрязняющих веществ, та­ких, как углеводороды, сажа и оксиды азота, может быть уменьшена соответствующим управлением закономерностями изменения температуры и концентрации в области сгорания. В обзоре представлены также методы расчета лучистого пото­ка тепла от пламени к тепловым стокам в порядке возрастаю­щей сложности: модель с хорошим перемешиванием, модель длинной топки, многопотоковая модель и зонный метод анали­за.