ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Закономерности процесса распиливания из "Сжигание тяжелых жидких топлив" Первые теоретические исследования процесса распыливания базировались на предположении, что основная и единственная причина распада струи заключается в наличии неустойчивых колебаний [87]. Поверхность струи вследствие неровностей цилиндрических стенок сопла, дрожания форсунки, турбулентных пульсаций, движения воздуха, окружающего струю, и т. п. подвергается начальным возмущениям. В результате струя начинает пульсировать и при определенных длине волны и периоде колебания она теряет устойчивость и распадается на капли. [c.92] Распад невязкой жидкости наступает при колебаниях с длиной волны, превышающей длину окружности невозмущенной струи [87]. При исследовании истечения вязких струй с большими скоростями [88] установлено изменение пульсации струи с появлением двух форм колебаний осесимметричных и волнообразных. Частота и длина волны этих колебаний зависят от условия истечения жидкости, формы соплового отверстия [89], скорости и физических свойств жидкости и среды, куда происходит распыливание. В настоящее время в целом ряде работ [90—96] рассматриваются те или иные формы колебаний (осесимметричные, волновые) и условия, при которых происходит распад струи, вытекающей из отверстий круглой, эллиптической, треугольной, кольцевой и других форм. Повышение давления жидкости или скорости окружающего воздуха приводит к сокращению длины нераспав-шейся жидкости, вышедшей из сопла, практически к нулю, так как топливо дробится на капли непосредственно у среза сопла. [c.92] Зависимость распада жидкости от колебательных движений распространяется не только на сплошные струи, но и на отдельные капли [95]. [c.93] Получить расчетные уравнения для определения размеров капель на основании рассмотрения колебательных процессов в струе топлива пока не удалось. Поэтому теоретические зависимости длины критических (неустойчивых) волн, параметров истечения жидкости и окружающей среды используются для выбора критериев, характеризующих процесс распыливания. [c.93] Механизм разрушения частиц жидкости разбивается на стадии. Под действием воздушного потока жидкость продавливается внутрь, и частица принимает парашютообразную форму. Затем эта выпуклая пленка лопается, образуя капли (рис. 43). Процесс разрушения частицы жидкости хорошо виден по микрофотографиям различных стадий деформации капли (см. рис. 43, а), исследованных в работе [102]. [c.93] Непосредственное определение дробления капель в зависимости от относительной скорости воздуха показало, что для каждого размера капель существует критическое значение скорости, выше которой капли дробятся. Опыты проводились следующим образом. В воздушный поток подавались отдельные капли, которые фотографировались. Было установлено, что дробление капель ряда жидкостей (ртути, воды, бензина, керосина, спирта и др.) с диаметром более 2 мм наступает при значении Окр = 14 [103]. [c.93] Исследования распада мелких капель (2г 2 мм) показали, что критерий Окр не является величиной постоянной и увеличивается с уменьплением диаметра капель [105]. В этой же работе утверждается, что для каждой жидкости существует предельный диаметр капли, устойчивый в потоке любой скорости. При этих исследованиях не измерялась скорость движения самих капель под действием воздущного потока, поэтому получились существенные расхождения в значениях критерия Окр для крупных и мелких капель. Силы, вызывающие деформацию, а затем и дробление капель, определяются относительной скоростью [106], которая выше для крупных капель при одинаковой абсолютной скорости набегающего потока воздуха. Учитывая это, понятен вывод о существовании предельных размеров капель, устойчивых при любой абсолютной скорости воздуха. Чем мельче капля, тем при большей относительной скорости может наступить ее деформация. Однако для мелкой капли невозможно создать в продолжении времени, необходимого для деформации, значительные относительные скорости, так как эти капли легко увлекаются воздушным потоком и в течение малого промежутка времени приобретают скорость, практически равную скорости воздуха. [c.94] Отклонение формы капли от сферической и появление вмятины приводит к неустойчивому ее состоянию, так как в месте вмятины силы поверхностного натяжения не противодействуют аэродинамическому давлению, а способствуют увеличению деформации, что вызывает распад капли. Поэтому можно предположить, что если капля не подвергается распаду, то она имеет сферическую форму, т. е. факел после завершения дробления должен состоять только из сферических капель. Микрофотографии капель в полете подтверждают это положение, так как при фотографировании летящих капель получаются силуэты круглой формы [107]. [c.95] Несмотря на значительные расхождения величин ф, полученных различными исследователями [108—110] как опытным, так и теоретическим путем, коэффициент сопротивления, подсчитанный по Окр (3. 9), в десятки раз нревссхидит опытные величины для шара. Это свидетельствует о резком торможении деформированных капель, что имеет место только в начальный момент вылета струн из сопла. [c.95] Для слияния капель необходимо, чтобы их столкновение произошло с определенной относительной скоростью [П2]. Так как капли в факеле имеют различные размеры и скорости, то вряд ли можно предположить, что значительная часть соударений приводит к слиянию капель. Капли, кроме того, находятся на достаточно большом расстоянии одна от другой. Это расстояние увеличивается с удалением от сопла форсунки. Например, на расстоянии 50 мм от сопла форсунки, имеющей расход топлива 100 кг/ч, угол факела 60°, скорость движения капли 80 м сек и средний диаметр 0,2 мм, капля удалена от капли на 2,6 мм, т. е. на величину, равную 13 диаметрам капель. В этом случае вероятность попадания одиночной капли в каплю рассматриваемого слоя составит всего лишь 0,47%. [c.96] Некоторые эксперименты, результаты которых трактуются как доказательство интенсивной коагуляции капель, приводящей к значительному изменению дисперсионных характеристик факела, имеют серьезные методические ошибки. Например, в работе [ИЗ] компрессорное масло подавалось по двум или четырем каналам в поток воздуха, проходящий через сопло Вентури. Через каждый канал поступало примерно одинаковое количество жидкости. При работе четырех каналов были получены более крупные капли, чем при работе двух. Это объясняется коагуляцией капель. Однако условия распыливания были неодинаковы, так как при работе двух каналов удельный расход распыливающего воздуха составлял 3,88 кг на 1 кг масла, а при работе четырех каналов 1,79 кг/кг, т. е. вдвое меньше. Следовательно, были неодинаковы и затраты энергии на распыливание, чем объясняется увеличение средних значений капель при подаче масла через четыре канала. [c.96] Таким образом, хотя в факеле и существует возможность слияния капель, однако процесс коагуляции не может значительно изменить состав факела по размерам капель. Поэтому предположение о двухстадийном процессе распада струи не имеет достаточных оснований. [c.96] Схема первичного дробления струи на капли вследствие турбулентного воздействия может служить в качестве одной из упрощенных моделей процесса распыливания жидкостей. Теоретические предпосылки и аналитические зависимости для размеров капель нуждаются в дальнейшей доработке. [c.97] Еще одна схема распада струи строится на предположении, что причиной разрушения единого потока жидкости на капли являются кавитационные процессы [114]. При высокой скорости течения топлива в сопловом канале статическое давление снижается, и при значении, соответствующем упругости паров, в потоке жидкости образуются кавитационные зоны в виде отдельных пузырьков. Эти пузырьки при выходе из сопла, где происходит восстановление давления до атмосферного, исчезают, разрушая целостность струи. Образование кавитационных полостей носит строго периодический характер с частотой, зависящей от скорости потока [115]. При исследовании течения жидкости [116] была получена следующая зависимость числа срывов кавитационных каверн от скорости. [c.97] С увеличением скорости потока кавитационные пузырьки образуются не только на поверхности, но и внутри струи, и из сопла выходит паро-газовая эмульсия. Оболочка пузырьков, состоящая из распыливаемой жидкости, при их исчезновении под действием сил поверхностного натяжения стягивается в капли. Кавитационные явления начинаются с поверхности струи, следовательно, чем тоньше струя, тем относительно глубже будут проникать кавитационные пузырьки при одинаковых скоростях истечения. Наличие завихренного движения (у центробежных форсунок) или ввод в струю воздуха (у пневматических форсунок) способствуют интенсификации образования кавитационных пузырьков по всему сечению струи. [c.97] Как следует из краткого изложения основных физических схем распада струи, процесс этот достаточно сложен, и в настоящее время трудно отдать предпочтение какой-либо из рассмотренных выше теорий. На основании многочисленных экспериментальных исследований можно сделать вывод, что дробление струи происходит под действием многих факторов. Различные формы колебаний, турбулентные пульсации, аэродинамические удары и кавитационные явления составляют часть сложного процесса распада струи. [c.97] Струя распыливаемого топлива имеет относительно небольшой диаметр и поэтому трудно заметить срыв пленок топлива с поверхности, ибо сами волны и зона действия кавитационных образований проникает глубоко к центру струи, вследствие чего происходит распыл непосредственно у сопла. На образование волн, отрыв частей жидкости и на дальнейшее дробление оказывает влияние аэродинамическое воздействие окружающей среды. Отделившиеся от сплошной струи топлива части — это нити с отдельными утолщениями [121]. Исследование распыла с помощью скоростной микросъемки [122] показывает, что при определенном давлении выходящая из сопла жидкость образует как бы пространственную решетку по всему сечению струи. Наличие пустот в центре струи, по-видимому, обусловлено кавитационным явлением. Такая сетка из частиц жидкости неправильной формы под действием аэродинамического сопротивления, наружного давления и пульсаций отдельных частиц жидкости распадается на капли. Максимальный размер капель определяется силами аэродинамического воздействия. [c.98] Фотографии (рис. 44) указывают на размывание струи массой окружающего воздуха, что можно объяснить турбулентным перемешиванием. За счет присоединения воздуха к движению капель происходит обмен энергией топливных частиц с воздушным потоком. Этот процесс в начальном участке за соплом форсунки протекает очень интенсивно, и капли быстро теряют свою индивидуальность. Поэтому можно утверждать, что капли, образовавшиеся у сопла, в дальнейшем не изменяют свои размеры, не считая их уменьшения в результате испарения. [c.98] Вернуться к основной статье