Турбуленттіліктің бастапқы деңгейінің әсерін сандық зерттеу

БЕЛГІЛЕНУЛЕР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..4
1. ТУРБУЛЕНТТІК ЖАНУ
1.1. Жану теориясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...6
1.2. Газдардың турбуленттік жануы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...8
1.3. Турбуленттік жалынның таралу аумағы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..11

2. ЖАНУ РЕАКЦИЯСЫНЫҢ ХИМИЯЛЫҚ ТЕПЕ.ТЕҢДІГІ
2.1. Жанудың химиялық рекциясның өту ерекшеліктері ... ... ... ... ... ... ... 22
2.2. Жану реакциясының химиялық тепе теңдігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 22
3. ТУРБУЛЕНТТІК ДИФФУЗИЯЛЫҚ ЖАНУ
3.1.Турбуленттік ағын системасындағы жанудың жақындатылған әдісінің зертелуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 24
3.2. Турбуленттік диффузиялық жану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...25
3.3 Турбуленттік ағынның негізгі заңдылықтары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..26
4. МАТЕМАТИКАЛЫҚ МОДЕЛЬ
4.1 Негізгі болжамдар мен жорамалдар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 30
4.2 Теңдеулер жүйесі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .31
4.3 Турбуленттілік моделі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..33
4.4 Шекаралық шарттар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..34
5. САНДЫҚ ШЕШІМНІҢ НӘТИЖЕЛЕРІ
5.1 Турбуленттіліктің бастапқы деңгейінің әсері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 35
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 39
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 40

Химиялық реакциялар мен турбуленттік ағындарды зерттеуге аса қызығушылық олардың ғылыми және қолданбалы даму мағыналарымен байланысты. Қазіргі таңдағы бар экологиялық және экономикалық мәселелер жанудың шығындарды минималдау, отынның жануының эффективтілігін өсіру, қауіпті заттардың ауаға шығаруын төмендету сияқты жаңа технологияларын табуды қажет етеді.
Ғылыми тұрғыдан жанудың турбуленттік теориясында көптеген анықталмаған сұрақтары бар. Диффузиялық жану бірнеше ерекшеліктерге ие болғандықтан- жану жылдамдығы кинетикалық емес, яғни (активация энергиясы, реакциялардың жылулық эфектісі т.б.) реогенттердің араласу шарттарымен, физикалық параметрлермен сонымен қатар ағын гидродинамикасымен анықталады. Сондықтан диффузиялық алаудың дамуына, мысалы, бастапқы жылдамдық, концентрация, қортынды заттардың температурасы, турбуленттіліктің бастапқы деңгейі, сыртқы күштер, жану камерасының геометриясы шекарадағы температуралық шарттар және т.б. сияқты параметрлер қандай рөл атқаратындығын білу қажет.
Ағынның турбуленттік құрылысына химиялық реакциялар қалай әсер ететіндігі белгілі, ал турбуленттілік өз кезегінде жану процесінің ерекшеліктерін анықтайды. Бірақ қазіргі уақытта осы өзара әсерлерсудің заңдылықтары жеткіліксіз зерттелген.
Физикалық үлгілер көмегімен осындай күрделі турбуленттік жану сияқты құбылыстарды зерттеу, бір жағынан, физикалық тәжірибеге кеткен көп шығынмен, екінші жағынан, жану камерасында және түтіндік масштабы үлкейтілген құрылғыларда барлық параллельді өтіп жатқан процестерді физикалық моделдеу мүмкін емес болғандықтан мұндай беталыс күрделі мәселелердің кей бөліктерін шешу үшін ғана қажет. Бұл мәселені шешу тек жүйелік анализ, математикалық және имитациялық үлгілеу негізінде ғана мүмкін.
Осыған орай есептеулік тәжірибе бірден-бір экономикалық эффективті және ынғайлы, тоқтала кетсек толық анализ алу және жанудағы орын алатын күрделі физикалық және химиялық құбылысты терең түсіну үшін жалғыз мүмкін тәсіл.
Сонымен қатар сандық әдістерді зерттеу бірнеше кемшіліктерге ие, ал олар кейде есептеуіштердің еңбектерін жоққа шығарады.

1. Recent Advances in Engineering Science (Springer — Verlag, Berlin. 1989), V. N. Nikolaevskii.
2. Законы горения / Под ред. Полежаева Ю.В. М.: УНПЦ “Энергомаш”, 2006. 352 с.
3. П. Берже, И. Помо, К. Видаль, Порядок в хаосе, О детерминистическом подходе к турбулентности, М, Мир, 1991, 368 с.
4. Фейгенбаум M., Успехи Физических наук, 1983, т.141, с. 343 [перевод Los Alamos Science,1980,v.1, p. 4] [1]
5. Feigenbaum M., Journal Stat Physics, 1978, v.19, p. 25
6. Reynods O., An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and of the law of resistance in parallel channels. Phil. Trans. Roy. Soc., London, 1883, v.174
7. Горение и взырыв. Издательство <наука>, Москва 1972.
8. Кнорре Г.Ф. Топочные процессы. Государственное энергетическое издательство, 1959.
9. Д. И. Гринвальд, В. И. Никора, «Речная турбулентность», Л.,Гидрометеоиздат, 1988,152 с.
10. П. Г. Фрик. Турбулентность: модели и подходы. Курс лекций. Часть I. ПГТУ, Пермь, 1998. — 108 с. Часть II. — 136 с.
11. http://www.lehigh.edu/~jdg4/publications/Ext_Chaos.pdf
12. PHYSICAL REVIEW E 70, 015202(R), 2004
13. Ландау Л.Д, Лифшиц Е. М. Гидродинамика, — М.: Наука,1986. — 736 с.
14. Проблемы турбулентности. Сборник переводных статей под ред. М. А. Великанова и Н. Т. Швейковского. М.-Л., ОНТИ, 1936. — 332 с.
15. Г. Голдстейн, Классическая механика,Кембридж, 1950, 408 с
16. Монин А. С., Яглом А. М., Статистическая гидромеханика. В 2-х ч. — Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат , Ч. 1, 1992. — 695 с;, Москва, Наука Ч. 2, 1967. — 720 с.
17. Основы практической теории горения. Учебное пособие. В.В.Померанцев К.М. Арефьев Д.Б. Ахмедов
18. Вулис Л.А., ЯринЛ.П. Аэродинамика факела. Л. Энергия, 1978. 216 с
19. Д. Глейк, Хаос, Создание новой науки, 1988,Penguin books, 354 с (написана журналистом для школьников и студентов)
20. Обухов А. М. Турбулентность и динамика атмосферы «Гидрометеоиздат» 414 стр. 1988 ISBN 5-286-00059-2Л.П Ярин. Г.С. Сухов. Основы терии горения двухфазных сред.Энергоатомиздат ,1987. Ленинградское отделение, 240стр.
21. Сэйтиро. Кумаган. Горение . Москва издательство . < химия>, 1979г
22. Сполдинг Д. Б. Горение и массообмен. Перевод с английского Р. Н. Гизатуллина и В. И. Ягодкина; Под ред. д-ра техн. наук проф. В. Е. Дорошенко.- М.: «Машиностроение», 1985.- 240с.
23. Westbrook C.K., Computational combustion / / Proceedings of the Computation Institute. 2005. Vol. 30. H. 125-157.
24. СнегеревА.Ю.высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбуленттных течений.СПб, Изд-во политехн. ун-та, 2008. 212с
25. Аскарова А.С., Болегенова С.А., Локтионова И.В. Химически реагирующие турбулентные газовые струи при наличии внешних воздействий // Алматы:Қазақ университеті, 2005.-29 с.
26. Feigenbaum M., Journal Stat Physics, 1979, v.21, p. 669
27. Д. М. Хзмалян. Теория топочных процессов: Учебное пособие для вузов. – М.: энергоатомиздат, 1990.-352 с
28. Турбулентность принципы и применение под редакцией У. Фроста , Т. Моулдена. издательство «мир». Москва 1980г.

Пән: Химия
Жұмыс түрі: Курстық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 35 бет
Таңдаулыға:

ТУРБУЛЕНТТІЛІКТІҢ БАСТАПҚЫ ДЕҢГЕЙІНІҢ ӘСЕРІН САНДЫҚ ЗЕРТТЕУ

Орындаған: ______________Рахимбаева Н.Б

Ғылыми жетекші: ______________ проф., Бөлегенова С.А

Алматы 2012

РЕФЕРАТ

Зерттеу объектісі: турбуленттік диффузиялық алау.

Жұмыстың мақсаты: метанның қоршаған ортадағы турбулентті жануы жайлы
есепті сандық есептеу және оның негізгі қасиеттеріне жанудың әсерін зеттеу.

Зерттеу әдісі: Шекаралық қабаттың екі өлшемді стационарлық теңдеулер
жүйесін көмескі шекті айырма сүлбесі бойынша үшнүктелік қууды пайдаланып
сандық шешу. Екі өлшемді стационар жуықтауда каналдағы реакцияға түсетін
ағын үшін теңдеулер жүйесін сандық шешу негізінде компьютерлік модельдеу.
Жазық жану камерасында метанның турбулентті жануы жайлы есептің сандық
шешімі алынып, диффузиялық алаудың орташаланған және лүпілдік
сипаттамаларына турбуленттіліктің бастапқы деңгейінің әсері зерттелді.

МАЗМҰНЫ

БЕЛГІЛЕНУЛЕР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... .3

КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... .4

1. ТУРБУЛЕНТТІК ЖАНУ
1.1. Жану
теориясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... .6
1.2. Газдардың турбуленттік
жануы ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .8
1.3. Турбуленттік жалынның таралу
аумағы ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... .11

2. ЖАНУ РЕАКЦИЯСЫНЫҢ ХИМИЯЛЫҚ ТЕПЕ-ТЕҢДІГІ
2.1. Жанудың химиялық рекциясның өту
ерекшеліктері ... ... ... ... ... .. ... ..22
2.2. Жану реакциясының химиялық тепе
теңдігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 22

3. ТУРБУЛЕНТТІК ДИФФУЗИЯЛЫҚ ЖАНУ
3.1.Турбуленттік ағын системасындағы жанудың жақындатылған әдісінің
зертелуі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .24
3.2. Турбуленттік диффузиялық
жану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 25
3.3 Турбуленттік ағынның негізгі
заңдылықтары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...26

4. МАТЕМАТИКАЛЫҚ МОДЕЛЬ
4.1 Негізгі болжамдар мен
жорамалдар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .30

4.2 Теңдеулер жүйесі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... .31

4.3 Турбуленттілік
моделі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... 33
4.4 Шекаралық
шарттар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... .34

5. САНДЫҚ ШЕШІМНІҢ НӘТИЖЕЛЕРІ
5.1 Турбуленттіліктің бастапқы деңгейінің
әсері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .35

ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... .39

ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР
ТІЗІМІ ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...40

БЕЛГІЛЕУЛЕР

с – массалық концентрация
- жылу сиымдылық,
E - активации энергиясы,
H – энтальпия,
k – турбуленттіліктің кинетикалық энергиясы,
М – мольдік масса,
p – қысым, Па
Pr – Прандтль саны
Q – жылулық эффект,
Re -Рейнольдс критерийі
R – универсал газ тұрақтысы,
T – температура, Т
- турбуленттіліктің бастапқы деңгейі
w – химиялық реакциялардың жылдамдықтары,
- жылуөкізгіштік коэффициенті,
- турбуленттік тұтқырлық,
- динамикалық тұтқырлық,
- тығыздық,
- стехиометрия коэффициенті

КІРІСПЕ

Химиялық реакциялар мен турбуленттік ағындарды зерттеуге аса
қызығушылық олардың ғылыми және қолданбалы даму мағыналарымен байланысты.
Қазіргі таңдағы бар экологиялық және экономикалық мәселелер жанудың
шығындарды минималдау, отынның жануының эффективтілігін өсіру, қауіпті
заттардың ауаға шығаруын төмендету сияқты жаңа технологияларын табуды қажет
етеді.
Ғылыми тұрғыдан жанудың турбуленттік теориясында көптеген анықталмаған
сұрақтары бар. Диффузиялық жану бірнеше ерекшеліктерге ие болғандықтан-
жану жылдамдығы кинетикалық емес, яғни (активация энергиясы, реакциялардың
жылулық эфектісі т.б.) реогенттердің араласу шарттарымен, физикалық
параметрлермен сонымен қатар ағын гидродинамикасымен анықталады. Сондықтан
диффузиялық алаудың дамуына, мысалы, бастапқы жылдамдық, концентрация,
қортынды заттардың температурасы, турбуленттіліктің бастапқы деңгейі,
сыртқы күштер, жану камерасының геометриясы шекарадағы температуралық
шарттар және т.б. сияқты параметрлер қандай рөл атқаратындығын білу қажет.
Ағынның турбуленттік құрылысына химиялық реакциялар қалай әсер
ететіндігі белгілі, ал турбуленттілік өз кезегінде жану процесінің
ерекшеліктерін анықтайды. Бірақ қазіргі уақытта осы өзара әсерлерсудің
заңдылықтары жеткіліксіз зерттелген.
Физикалық үлгілер көмегімен осындай күрделі турбуленттік жану сияқты
құбылыстарды зерттеу, бір жағынан, физикалық тәжірибеге кеткен көп
шығынмен, екінші жағынан, жану камерасында және түтіндік масштабы
үлкейтілген құрылғыларда барлық параллельді өтіп жатқан процестерді
физикалық моделдеу мүмкін емес болғандықтан мұндай беталыс күрделі
мәселелердің кей бөліктерін шешу үшін ғана қажет. Бұл мәселені шешу тек
жүйелік анализ, математикалық және имитациялық үлгілеу негізінде ғана
мүмкін.
Осыған орай есептеулік тәжірибе бірден-бір экономикалық эффективті
және ынғайлы, тоқтала кетсек толық анализ алу және жанудағы орын алатын
күрделі физикалық және химиялық құбылысты терең түсіну үшін жалғыз мүмкін
тәсіл.
Сонымен қатар сандық әдістерді зерттеу бірнеше кемшіліктерге ие, ал
олар кейде есептеуіштердің еңбектерін жоққа шығарады. Олардың негізгі
мәселелеріне тұрақтылық, апроксимация және соңғы бөлек схемалардағы
ұқсастығы жатады. Осыған байланысты сенімді тәжірибелік мәліметтер мен
салыстыру арқылы алынған сандық шешімге көз жеткізу әрқашан маңызды
сұрақтар болып қалуда.

1.ТУРБУЛЕНТТІК ЖАНУ

1. 1. Жану теорясы
Жану-жанғыш қоспаның компоненттерін жану өнімдеріне айналдыратын
күрделі физика-химиялық процесс, жылулық сәулелену, жарық және сәулелік
энергия шығарады. Жақынырақ бейнелесек – ол қарқынды өтетін тотықтандырғыш.

Дыбысқа дейінгі жану жарылыс пен детонацияға қарағанда, екпінді толқын
туындауына байланысты төмен жылдамдықта өтеді. Дыбысқа дейінгі жануға –
қалыпты ламинарлық және турбуленттік таралуы, ал асқын дыбыстыққа –
детонациялық жатады.
Жану жылулық және дыбыстық болып бөлінеді. Жылулық жану негізіне
бөлінетін жылудың жиналу салдарынан өздігінен өсіп, үдейтін химиялық
реакция жатады. Тізбектік жану төменгі қысымдағы кейбір газдыфазалық
реакцияларда кездеседі.
Термиялық өздігінен үдеу шарты барлық реакцияларды кең жылулық
эффектерімен (әсерімен) және энергия активациясымен қамтамасыз етеді [1].
Жану өздігінен өршіп, өздігінен тұтануы немесе алдын ала ойластырылған
жағу салдарынан басталуы мүмкін. Үздіксіз жану белгіленген сыртқы
шарттарда стационарлық режимде өтеді, егер процестің негізгі қасиеттері –
реакция жылдаммдығы, күшті жылу бөліну температура және өнім құрамы –уақыт
бойынша өзгермесе, немесе осы қасиеттер өздерінің орташа мәнінде ауытқыса
онда периодтық режимде өтеді.
Жылдамдық реакциясының температурадан күшті сызықтық емес тәуелділігі
салдарынан, жану сыртқы шарттарға жоғарғы сезгіштігімен ерекшеленеді.
Жанудың осы қасиеті бірдей шарттарда бірнеше стационарлық режимдердің пайда
болуына себепші [2].
Жанғыш қоспаның адиабаттық жану барысында жылу есепке алынуы
мүмкін, егер толық жану кезінде бастапқы қоспаның құрамы және бастапқы
қоспа мен өнімнің термодинамикалық функциясы белгілі болса. Егер өнім
құрамы алдын ала белгілі болса жүйенің ішкі энериясының тұрақты
көлеміндегі немесе оның энтальпиясынның бастапқы және соңғы жағдайында
тұрақты қысым тепе теңдік шартынан мына теңдеу көмегімен есептелуі
мүмкін:, мұндағы -қоспаның бастапқы температурасы, С-
жылусыйымдылық, - температурадағы қоспаның жану жылуы, Q- жану
реакциясының жылулық эффектісі.- мәні тұрақты қысымға қарағанда,
тұрақты көлемде үлкен себебі соңғы жағдайда жүйенің ішкі энергиясының бір
бөлігі кеңею жұмысына жұмсалады [3]. Тәжірибеде адиабаттық жану шарттары,
егер реакция реакциялық көлем мен қоршаған орта арасындағы жылуалмасу
айтарлықтай болғанша бітіп үлгерсе орындалады, мысалы жану камерасындағы
ірі реактивті двигательдер, үлкен реакторларда, жанудың тез таралатын
толқындарында болады. Термодинамикалық есеп процесс жайында аз ғана яғни
өнімнің температурасы мен тепе-теңдігі бойынша мағлұмат береді. Жануды
толық бейнелеу оның ішінде процесс жылдамдығының анықталуы және қоршаған
ортамен жылу және массаалмасу критикалық шарттары кезінде, макрокинетикалық
тұрғыда, заттар мен энергияның алмасу процестерімен қатысты химиялық
реакция қарастырылады.
Алдын ала жанғыш қоспа мен тотықтырғыштың араласуы барлық салыстырмалы
жіңішке қабатта, бастапқы қоспа мен өнімді және жанғыш қоспа бойымен жану
толқындарының таралуын бөлетін немесе жанғыш қоспа мен толтырылған
кеңістікте өтуі мүмкін. Диффузиялық жану – араласпаған жүйеде мүмкін
болады, ондағы реакция салыстырмалы жіңішке аймаққа ықшамдалады, отын мен
тотықтырғышты ажыратып, осы аумақтағы реагенттердің диффузиялық жылдамдығын
анықтайды [4].
Жану процестерін бейнелеу. Техникалық құрылғылардағы жану процесінің
маңыздылығы – керекті дәлдікте оны суреттеуге мүмкіндік беретін әр түрлі
модельдердің пайда болуына негіз болды. Былайша айтқанда нөлдік жақындалуға
химиялық реакциялардың анықталуы, температураның өзгеруі, қысым және
массаның өзгеріссіз кезіндегі реагенттер құрамы кіреді. Бұл жабық көлемде
өтетін процеске дәл келеді, тұтану температурасынан жоғары қызған жанғыш
қоспа енгізілген. Кеңістіктегі реагенттердің орын ауыстыруы бір, екі
үшөлшемді модельдерге кіреді. Өлшеу мөлшері модельдердің кеңістік координат
мөлшерімен сәйкес келеді. Таза динамикалық ағыстағыдай жану режимі:
турбулентті немесе ламинарлы болады. Ламинарлы жанудың бір өлшемді
суреттелуі жану аумағының жайында аналитикалық маңызды қортынды алуға
мүмкіндік береді, соңынан осылар аса қиын турбуленттік модельдерде
қолданылады [5].
Көлемді жану. Көлемді жану мысалға идеалды араласу жылу оқшауланған
реакторда өтеді, ондағы бастапқы қоспа белгілі бір мөлшердегі отынмен
, температурада түседі, басқа жану температурасында реактор
қоспаны басқа бір мөлшердегі отынның мөлшерімен а тастап кетеді.
1.
2.
3. Мұнда w(а, Т) — жану реакциясының жылдамдығы, V — реактор көлемі.
4. а = а0(ТГ — Т)(ТГ — Т0)
5. (2) түрінде жазуға болады:
6. q-T = q+T
7. q-T = GC(T — Т0) — реакторда жану өнімдерімен бірге жылу қалдығының
жылдамдығы, q+T = Qw(a, Т)V — реакция барысында жылу бөліну жылдамдығы
[6].

1. 2. Газдардың турбуленттік жануы
Газдардың турбуленттілік жануына деген қызығушылық, оның техникалық
және толық жану теориясына байланысты. Турбуленттілік жану теориясын
зерттеудің ішінде ең маңыздысы ойға қонымды үлгілер мен пікір ұқсастығы
және өлшемі болып табылады. Сонымен қатар, есептеуді жүргізудің жартылай
импирикалық және статистикалық мүмкіндіктері кеңінен таралған. Қазіргі
таңда газдардың турбулентті жануының толыққанды теориясы жоқ және оның
пайда болуы жақын болашақта бола қоймас.
Бұл сұрақтың күрделілігі турбуленттілік қозғалыстың қатаң физикалық
және тұйықталған математикалық теорияның жоқтығымен байланысты. Осыдан
газдардың турбулентті жану теориясының дамуы жылжымалы турбуленттік
ағыстың толық теориясынан, оның ішінде турбуленттік ағыс теориясынан,
сонымен қатар турбуленттілік қозғалыс пен жанудың құрамына бағытталған
тәжірибелік зерттеу жұмыстарына тікелей бағынышты. Ал мұндай тәжірибелер
әлі толыққанды жетілмеген. Турбуленттік ағыстағы газдардың жануының сандық
әдіспен зертеуіде кеңінен қолданыс таппаған.
Айтылған пікірге байланысты теорияның негізгі сұрақтарына
тоқталсақ, бұл кинетиканың шекті схемасына және аэродинамиканың жануының
есептеуінің басыңқылығына байланысты. Алайда, бұл жағынан жану тұрақтылығы
газ ағындарының жану барысындағы асқын дыбыстық қасиеттері және
тәжірибелік мәліметтері талқыланбайды.
Егер ағынның Re=1500 асса, ағын толығымен турбулентікке айналады.
Инженерлік есептеулерде Рейнольдс санының үлкен мәні қарапайым
болғандықтан, ламинарлыққа қарағанда турбуленттік ағындар жиі кездеседі.
Турбуленттік ағындар бірқатар ерекше қасиеттерге ие, мысалы, рейнольдс саны
өскенде олардың сипаттамаларының тәуелсіздігі.

Турбуленттік диффузиялық жалындарды практикалық қолдану
Реалды жалындарға жағу құрылғысына үздіксіз берілетін, буландырылған
мұнай ағындары бар, өндірістік қыздырғыштар жалынның жылулық сәулеленуі
жағу құрылғысының төменгі бөлігіндегі затты қыздыруы.

1 –сурет.
Сұйық ракета двигателінде сұйық ағындардың жылдам булану кезінде
пайда болатын тамшылар ағыны бұлт тамшылары емес, бу ағыны ретінде қаралуы
мүмкін.

2-сурет. Турбуленттік жалын

Сондықтан турбуленттік диффузиялық жалында ракета двигателіндегі тағы
да бір жану моделі ретінде қарастыруға болады. Дизельдік двигательдерде
жағдай басқа, бірақ процесс стационарлық емес. Жанудың аяқталуы үшін ауа
мен жанардың буын араластыру қажет.

3-сурет. Жалын пішіні

Реакция аумағы және тең бет арасында орналасқан соңғы
көлемге тең. Сыртқы беті = сәйкес келеді өйткені онда
негізінен жанғыш отыны аз газ болады. Ал химиялық реакция қоспа максималды
жанғыш отынның мөлшерін иемденген уақыт моментінде болады [7].
Ламинарлық ағындағы жану - көбінесе оттық жарық берушi немесе қыздыру
аспаптары арқылы жүзеге асады. Техникалық құрылғылар үшiн тек қана
газдыауалық ағынның трубулентті қозғалысы жанында iске асырылатын едәуiр
үлкен жылулық фарсировкалары қажет.
Стационарлық процестер жанындағы турбуленттік ағыстағы дайын жанғыш
қоспаның кинетикалық жануы әдетте жану ошағының орнықтылығының жоғалуымен
байланысты. Егерде белгілі шеткі шамаларда процестің орнықтылығы іске
асса, жану диффузиялық реттік факторларынан және нағыз диффузиялық аймаққа
өтуі ықтимал, онда жану жылдамдығы тек қана жанғыш газдар мен заттардың
ығысу жылдамдығына, былайша айтқанда, турбулентті ағыстың қасиеттеріне
тәуелді болады.

Ірімасштабты турбуленттік режимге ауысқанда турбуленттіліктің масштабы
жалын аумағының қалыңдығынан үлкен болады, сонда аумақтың бейнесі тағы да
ауысады. Аумақтың беткі қабатындағы толқулар едәуір үлкейгенде, тіпті
бөлек газдық бөлшектер одан жұлынып, ағыс бойымен жанғыш заттардың арасында
ұшып жүреді. Осы ұшудың барысында бөлшектер кезекті лүпілімен майдаланып,
жануын жалғастырады.
Сонымен, жану аумағы дегеніміз жану ошағының жүйесі толық жыртылған,
шашыраған, бөлшектенген және жанған бөлшектердің қабаттар түріндегі жаңа
жанғыш қоспасы болып табылады. Сол қабаттың қалыңдығы ағыстың берілген
жылдамдығындағы бөлшектердің жану уақытымен τ анықталады ().
. (1)
Осы процесстің сүлбесі. 4-суретте, в көрсетілген. Салыстыру үшін
ламинарлық ағыстағы жазық аумақтың жану сүлбесі 4-суретте, а көрсетілген.

4-сурет. Жану аумағы

Орташа жылдамдықтағы жалын аумағының таралу жылдамдығы [8]:
(2)
Жалын аумағының қалыңдығы мына өрнекпен өрнектеледі:

(3)

Жылу форсировкасы мынаған тең:

(4)

1.3. Турбуленттік жалынның таралу аумағы
Турбуленттік жалын. Турбуленттік жалын газдық отын мен
тотықтырғышты қатты араласу барысында туындайды. Алдын ала араласқан
қоспадағы турбуленттік жалын ішкі жану двигателінде және реактивті
двигательдегі форсаждық камераларындағы негізгі жану режимі болып табылады.
Бұл жалындар алдын ала араласқан ағында қалай ішінде, солай шығысында
тұрақталуы мүмкін. Ағынның төменгі жылдамдықтарында бунзеновтық жанарғыдағы
және ламинарлық жалындар секілді әртүрлі аумақтағы жалындар т.б уақыт
бойынша стационарлы критикалықтан жоғары ағын жылдамдығында құбырдағы ағын
турбуленттілікке айналады және арқырауық дыбыспен жүреді. Бұл жағдайда
жалын кең, бұлыңғыр аумақта болады. Алдына ала араласпаған қоспадағы
турбуленттік жалын тәжірибелік тұрғыдан қызығушылық тудырады. Олар:
реактивті двигательдерде, дизельді двигательдерде, бу қазандарында,
жанарғыларда және сутекті - оттекті ракеталық двигателдерде пайда болады.
Әртүрлі шоқтық тұтанумен ішкі жану двигательдеріндегі алдын ала араласқан
қоспадағы турбуленттік жануды айтпағанда, көптеген жағдайларда алдын ала
араласпаған қоспадағы турбуленттік жану орын алады [9].

5-сурет. Жалын суреті

Турбуленттік жалын жану өнімінің ядросын сыртын жаңа газбен қоршаған
қабаттан тұрады дейік. Жалынның турбуленттік аумағынан өтетін газ ағыны.
Турбуленттік жалын аумағы қалындаған түрінде көрінеді, себебі ламинарлық
жалынның бір сәттік жіңішке аумақ кеңістікте тез қозғалады. Ламинарлық
жалын аумағының маңында турбуленттік түрленеді, турбуленттік жалынның
көлденең аумағында турбуленттіліктің орташа интенсивтілігі ағып келе жатқан
ағынның турбуленттіліктің интенсивтілік мағынасында максималды мәніне дейін
біртіндеп өседі. Қоспа құрамының әсері кері бағытта болады. Жоғары айтылған
жағдай жанарғыға жақын маңайда байқалмайды. Керісінше, мұнда локальдық
аумақтар ғана бар, яғни жалыннан таралу жылдамдығының максималды мәні
қоспаның түсу жылдамдығынан асуы мүмкін. Сондықтан жалын орналасқан
турбулентті ағындағы жылдамдақта орналасады. Содан басқа, барлық жағдайда
жалын аумағы турбуленттік қоспада алдын ала дайындалған қоспа жалынның
максималды таралу жылдамдығымен ауыстырылуы керек. Бұл жалынның созылуы мен
аққыштығына келеді. Егер жалын жетерліктей келген ағынды жұтып өшпеуге
әкелетін үлкен аумақтар таппаса, ол ұшқыш жанарғы не басқа да энергия
көздерімен сүйемелдеп тұрмаса онда өшу туады [10].
Турбуленттік жалында реакциялар ламинарлық жалындағы секілді
температура және әсерлесуші газ құрамы жағдайларында өрбиді. Бірақта
турбуленттік жалында химиялық реакция заттың турбуленттік диффузиясы және
турбуленттік жылуөткізгіштігінің әсерінен тездетіледі. Орташаланған
температура мен концентрация қисықтары ламинарлық жалындікі сияқты
турбуленттіліктің дәрежесін жасанды түрде жоғарылатқанда жоғарылайды.
Диффузиялық жалында қысымның күл тудырудың жылдамдығына әсері.
Турбуленттік жалынның таралу жылдамдығының мағынасы отын қоспасының жану
құбылысына жатады. Оның жану бетін заттық үлкейтетін, әр түрлі масштабты
турбуленттік лүпілдер бар. Жану камерасының сипаттамаларын анықтауда
диффузиялық турбуленттік жалындағы ығысу процестері үлкен рөл атқарады.
Химиялық әрекеттесу тек отын мен тотықтырғыштың молекулалары соқтығысқанда
болады, сондықтан көлемдердің механикалық араласуын, молекулярлық
біртектілікке дейінгі ығыстыруды осы диффузиялық жанудағы әрекеттесуді
анықтайтын, шектеу керек. Турбуленттік жалын, газдық отын, тотықтырғыш пен
жалындағы зерттелген ерітіндіні турбуленттік қозғалыс процесі барсында
ығыстыру арқылы алынады. Осылай турбуленттік жалынды қолдану барысында
барлық ерітінді жалынға түседі [11].
Аэрокосмостық техникадағы жаңа объектілерді жасауға қажетті
жаңалықтардың көлемінің үлкеюі, жобаланған объектердің элементтерінің
арасындағы байланыстардың қиындатылуы және математикалық аппараттың,
қолданыстағы, сапалық өзгеруі, зерттеушінің маңызды сайманы математикалық
модельдеу болып табылады. Оның негізінде зерттеу объектісінде өтетін
физикалық және химиялық процестерді түсіну, есептеудің эффективтілік
тәсілдері және екпінді дамып жатқан есептеу құралдары, жаңа компьютерлік
және информациялық технологиялар, авияциялық двигательдер дамудың барлық
кезеңдерінде, энергия және жылу қуатпен күрделі құрылымына қатысты қатаң
талаптарды қанағаттандыру қажет [12]. ЦИАМ – да математикалық модельдеудің
сәтті дамуы Г.Г.Черного, Г.Н.Абрамович және И.А.Биргер секілді ірі ғылыми
мектептерді анықтады оларға аеродинамика, турбуленттік және беріктілік
аумағында белгілі ғылыми жетістіктер тән. Бірінші сызбалар тұтқыр емес газ
ағынын сипаттайтын Эйлер теңдеуінде қолданды. Кейін ламинарлық және
турбуленттік ағындарда, теп-теңсіз физика- химиялық процестер теңдеуінде
орын алған Навье – Стокстың және Рейнольдс теңдеулерін интегралдау.
Математикалық модельдеу маңызды турбуленттік режимді авиадвигатель жасау
тәжірибесінде салмақты мәселе Рейнольдс теңдеуінің "тұйықталу" болып
табылады. Осыған байланысты сығу процесінің ерекшеліктерін көрсететін,
ерекше теңдеулер шығару керек, жылу, массаалмасу және импульстің алмасуы.
ЦИАМ-да Г.Н.Абрамович мектебінде осы процестердің дифференциалдық моделі
әлем аналогтары бойынша ең үздік сатысында тұр. ЦИАМ жану процестерін
сипаттауда үлкен үлес қосты. Жану камерасында турбуленттілік дәрежесі
50...100% жететін отын мен ауаның ығысуы, жану тәжірибе жүзінде түгелімен
турбуленттілікпен анықталады. В.Р.Кузнецов негізінде жанудың жіңішке
аумағында, турбуленттік жану теориясын жасады. Осы ой газодинамика және
кинетика теңдеулерін қолданыста бөліп берді. Осының арқасында ондаған
химиялық құраушылардың жүздеген реакциялармен қатысты үшөлшемді жануды
есептеуге мүмкіндік алдық [13].
Бірінші мысал ретінде, жіңішке аумақты турбулентті жану мен
ұсынылған модельдердің турбуленттік мүмкіндіктерін көрсететін метанда жұмыс
істейтін, стационарлы энергетикалық құрылғыға арналған, авиациялық типтегі
жану камерасындағы процестердің есептеу нәтижелерін аламыз. ЦИАМ-да
ұсынылған турбуленттіліктің t-90 бірпараметрлік дифференциалды үлгісінде
Рейнольстің теңдеулері тұйықталды. Басты назар азот қышқылының –нің
сыртқа шығарылуына аударылды. Олардың туындауына барлық белгілі механизмдер
ескерілді: Зельдович және prompt механизмі. 1 және ә суретте жану
камерасының 2 үлгісіндеде -ның пайда болуының температура және
жылдамдық бағандары көрсетілген. Бірінші –қалыпты, екінші –саңылаулардың
қосалқы қатары арқылы камераның бастапқы бөлігінде кеңейтілген ауа
өткелімен көрсетілген. Осындай жаңартулардың нәтижесінде жоғары
температуралы аймақтар көлемі азаяды, ал -ның сыртқа шығарылуы 30-40%
қысқарды. Екінші мысал ретінде 10% турбуленттік дәрежемен жоғары
температуралық ағынмен турбиналық қалақшалардың нәтижесіндегі есептеулерді
аламыз. Себебі турбинаның дәлдігі белгілі жағдайларда двигательдің
тиімділігіне әсер етеді немесе турбуленттіліктің есебі өтіп жатқан ағында
өзге мәндерге ие болады. Осы тұрғыда қалақшаның беткі қабатындағы тұтқыр
сұйықтың маңызы жайлы айта кеткен жөн және осындағы турбуленттіліктің әсері
айқын байқалады. Бұл жылулық ағынның шектелген ағыстық салқындатқыш және
ламинарлық режимнен турбуленттікке өтуі.

6- сурет. Ұсынылған модельдердің турбуленттік мүмкіндіктерін
көрсететін метанда жұмыс істейтін, стационарлы энергетикалық құрылғы.

Барлық үш турбуленттік әсер дәрежесінде , мұндағы - Ағын
жылдамдығы,-лүпіл), оның масштабы L және Рейнольдс саны қалақшадағы
салыстырмалы түрде турбуленттік емес жағдайға қарағанда 2-3 ретке жылу
ағынның өзгеруіне алып келеді. Алайда қолда бар турбуленттіктің үлгілері
мұндай эффекті болжай алмайды, өйткені бұл құрылғы аз масштабты кұрылғылар
үшін құрылған.

7-сурет.Турбиналық қалақшаның критикалық нүктесіндегі жылу ағыны үшін
эксперименттік және есептік мәндері көрсетілген.

Nu- Нуссельт саны, Re- Рейнольдс саны. Турбуленттіліктің масштабы
ұлғайған сайын, жылу ағыны азаяды LD [14].
Беттік теңдеу. Жалын тұрақтылығы. Біртекті қоспаның жалын аумағы
конус тәрізді бетте қалыпты жағдайда қабылдайды, яғни

жалын аумағының теңдеуі, мұндағы - ағынның жергілікті жылдамдығы.-
жалын аумағының сыртқы нормаль бағыты мен және ағыстың жергілікті
жылдамдығы арасындағы бұрыш.

8-сурет. Жалын жылдамдығы мен ағыстың таралуы.
Тұрақтылық критерийлері: [15]

Диффузиялық ламинарлық ағыс
Отын тотығу аумағына енгенде, жалын- диффузиялық деп аталады.

9-сурет. Диффузиялық жалынның пішіні
а) тотығу көп кезде б) отын көп кезде

Диффузия коэффициенті D барлық құраушыда тұрақты және бір-біріне
тең. Эйнштейннің диффузия теңдеуін қолданып у2=2Dt, мұнда у - диффузияның
орташа арақашықтығы, D- диффузия коэффициенті, t- уақыт, келесі теңдеулер
алынады:

мұндағы, - ағынның төменгі жылдамдығындағы жалын биіктігі, D- түтік
ішіндегі орташа жылдамдық, R- ішкі радиус, Ω – жанарғыдан өткен шығын
көлемі [16].
Қазірге дейін конустық тура және бағытталған турбуленттік жалын
аумағы қарастырылатын бірнеше тәжірибелер жасалған. Оны 10-суреттен көруге
болады.

10-сурет. Біртекті жанғыш қоспаның турбуленттік жалын аумағы.
а-аумақтың бағытталған конусы, б-аумақтың тура конусы

11-сурет.Турбуленттік ағындағы біртекті жанғыш қоспаның жану
аумағының микрожылулық сүлбесі.

Өз ретінде әлі жанбаған газдың молекулалары лүпіл арқылы жану аумағына
ене алады. Бұл процесс сүлбелі турде 12-суретте көрсетілген. Суретте жаңа
жанғыш қоспа мен жанып біткен заттың бейнесі айқын көрсетілген.

12-сурет. Диффузиялық жанудың үзілу сүлбесі

Егер бұл процестің бірқалыпты температурада өтетінін айтатын болсақ,
онда мұндай турбулентті ағынның ұлғаюы процестің тік ұзындық бойымен
таралуына тең деп айтуға болады.
Ламинарлық ағын рейнольдстің кіші мәнінде болады. Re мәндерінде
ағын тұрақтылығы жойылады және газдың кіші көлеміндегі қозғалыс
реттелмеген, лүпілдейтін қозғалысқа айналады. Ағындағы осы не басқа
нүктедегі жылдамдық уақыт бойынша орташаланған мәнінен өзгеше болады. Тура
осы сияқты бір бірінен лездік және орта қысым, тығыздық, әсерлесуші
заттардың концентрациясының мәндері өзгеше болады. Турбуленттік жану- жану
өнімдері мен жаңа қоспаның турбуленттік ығысу кезінде және тұтанудың соңы
температураның өсуі болатын стационарлық емес процесті сипаттайды. Мұндай
жағдайда ламинарлық жалынның таралуы өз заңдылықтарын жоғалтады. Шешуші
фактор турбуленттік лүпілдер мен байланысты араласудың интенсивтілігі
болады. Егер ламинарлық жану теориясында негізгі қиындықтар жанудың
теңдеулер жүйесінде берілген дәл кинетикалық параметрлердің жоқтығынан
туындаса, ал турбуленттік жанудың теориясында қажетті теңдеулер жүйесі
құрылмаған. Бунзеновтық жанарғының жалынына турбуленттіліктің әсерін
қарастырайық. Ламинарлық ағында тегіс және жіңішке жалын аумағы болады (а-
сурет). Жылдам ағында Рейнольдстің критикалық мәніне жеткенде жалын
кенеттен қысқарады, жуандайды және қатты бұлынғыр көрінеді (б-сурет).
Қысқарған жалындар жалын таралу жылдамдығының өсуімен байланысты. Бірінш
і– беттік-турбуленттіліктің әсерінен ламинарлық жалынның жазық аумағы
майысады және ламинарлық аумақтың тығыз бумасына айналады (а-сурет).
Аумақтың конфигурациясы және өзара орналасуы үздіксіз өзгеріп отырады,
бірақ орта статистикалық беті тұрақты болып қалады (турбуленттілік
біртекті). әр аумақта тұрақты деп алып турбуленттіліктің жылдамдылыққа
тәуелділігін алуға болады: , мұндағы F жану камерасының көлденең
қимасының ауданы.бетті турбулентті жану аймағындағы жанғыш заттың жеке
көлемдерінің қосындыларының беті деп қарастыруға болады (б-сурет). Жаңа
қоспа мен реакция өнімдерінің әр көлемі ламинарлық жалынмен қоршалған
жамылғы тәріздес. Осындай үлгілерде бет нормаль бойынша аумақтың орта
бетіне бағытталған өсі бар конус тәріздес майысқан, ал турбуленттік аса
үлкен емес. Дамкелер турбуленттік жалынның жылдамдығы жалпы жылдамдықпен
рейнольдске пропорционалды екенін ашқан. Алайда тәжірибеде мәні
рейнольдстің кіші мәндерінде пропорционал болған. Ал рейнольдстің
үлкен мәндерінде Re +b, мұндағы a, b –тұрақтылар.

а) б) в) г)
13- сурет.
Ағын режимінің жалын пішініне әсері: а-ламинарлық жалын, б-кіші
масштабты турбуленттілік, в-турбуленттіліктің масштабы жану аумағының
қалыңдығынан асады, г-үлкен масштабты турбуленттілік.

14-сурет.

Микро көлемдік 1-жаңа қоспа, 2-реакция өнімдері, 3-ығысу немесе реакция
Турбуленттік жану аумағында жану біртексіз таралады [17].
Егер ағын температурасы қоршаған ортаның температурасынан өзгеше болса,
онда оны изотермиялық емес деп атайды. Изотермиялық емес ағынның
турбуленттік кеңеюінде, оны қоршаған газдың көбеюі ағын мен қоршаған
ортаның жылуалмасуына әкеледі. Егер де ағын температурасы орта
температурасынан кіші болса ағын жылытумен жүреді, егер үлкен болса
суынумен жүреді.
Газдық отынның жануы ағындағы жалынмен, оның қоспасындағы жалынмен,
оның қоспасының тотығуымен, яғни ауа мен жану өнімдерінің таралуымен
жүреді.
Жалын жанудың химиялық реакциясы, яғни жану мен соңғы қоспаны бөлетін,
жіңішке аймақты көрсетеді. Уақыттың әр сәтінде жылу берудің нәтижесінде газ
қабаттарында жалындану болады. Жылытудың себебі жану өнімдері мен газауалық
қоспаның арасындағы диффузия.
Газдың жануының негізгі сипаттамасына жалынның таралу жылдамдығы
жатады , мс, тағы да сипаттамасына бірлікке келетін жылу бөліну мен
уақыт жатады, кВтм²
(5)
Қоспадағы тыныштықта тұрған жалын жылдамдықпен жүреді, ал жанған
өнім жалын аумағынан – жылдамдықпен шығады.
Қоспадағы қарсы қозғалып келе жатқан жалын стационар күйде
болады, ал жанған өнім жалын аумағынан өшіріледі. мен
арасындағы байланыста жанғанға дейінгі жанғаннан кейінгі жанудың зат
мөлшерінен анықтауға болады:

(6)
, – жаңа қоспаның және жану өнімінің тығыздығы, гсм³, –
жану өнімінің жалдамдығы, смс
r Un
(7)
Жану өрімінің жылдамдығы, жаңа қоспаның жылдамдығынан үлкен.
Жалынның тұрақты орналасуын қамтамассыз ету үшін қоспа аумаққа
жылдамдықпен түсу керек гидродинамикалық шартқа байланыты емес
қоспаның физика-химиялық құрамына байланысты.

15-сурет.

Аудандар заңы. Жалын аумағы әдетте қисық болады.
Жану аймағы жаңа қоспа мен жану өнімін бөліп тұрады.
Түтікте жаңа қоспа астыңғы бөлікте, ал жану өнімі үстіңгі бөлікте
орналасады.

Аудандар заңын береді.

Негізгі жану заңын. Жалынның таралу жылдамдығы cosφ кері пропорционал
өседі.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.