Експериментальні дослідження факторів, що впливають на самозаймання газоподібних та

Наукові звіти KIT 7555 Експериментальні дослідження факторів, що впливають на самозаймання газових та рідких паливних струменів Крістіан Пфайфер Карлсруе, Технологічний інститут (KIT)

впливають

Крістіан Пфайфер Експериментальні дослідження факторів впливу на самозаймання газових і рідких паливних струменів

Технологічний інститут Карлсруе КОМПЛЕКТ НАУКОВІ ЗВІТИ 7555

Експериментальне дослідження факторів, що впливають на самозаймання газових та рідких паливних струменів Крістіаном Пфайфером

Звіт № KIT-SR 7555 Дисертація, Технологічний інститут Карлсруе, Машинобудівний факультет, 2010 День усного іспиту: 22 квітня 2010 р. Доповідачі: проф. хабіл. Клас Андреас, професор д-р вип. нац. хабіл. Ульріх Маас Вихідні дані Технологічний інститут Карлсруе (KIT) KIT Наукове видавництво Strasse am Forum 2 D-76131 Карлсруе www.ksp.kit.edu KIT Університет штату Баден-Вюртемберг та національний дослідницький центр Асоціації Гельмгольца Ця публікація доступна в Інтернеті за наступною адресою: Ліцензія Creative Commons опублікована: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/ KIT Scientific Publishing 2010 Друк на вимогу ISSN 1869-9669 ISBN 978-3-86644-525-3

Зміст 1. Вступ 1 1.1. Стан досліджень. 2 1.2. Постановка цілей. 4 1.3. Контур роботи. 6 2. Основи горіння крапель 7 2.1. Безрозмірні параметри. 7 2.2. Первинне розпилення. 9 2.3. Вторинне розпилення. 12 2.4. Взаємодія крапель. 15 2.5. Можливість подальшого спостереження. 17 2.6. Середній діаметр. 19 2.7. Характерний діаметр. 19 2.8. Краплинне випаровування. 20 2.9. Режими згоряння крапель. 22 3. Опис експерименту 25 3.1. Завод TROJA. 25 3.2. Продувка газу. 26 3.3. Паливо. 28 3.4. Система ін’єкцій. 33 3.5. Змішування в камері запалювання. 33 3.6. Визначення температури. 35 4. Технологія вимірювання 37 4.1. Процес світлової тіні, що передається. 37 4.2. Томографічна лазерна доплерівська анемометрія. 38 4.2.1. Лазерна доплерівська анемометрія. 38 4.2.2. Основні особливості перетворення радону. 41 4.2.3. Принцип томографічної реконструкції. 43 4.2.4. Аналіз відмов. 45 4.3. Метод вимірювання розподілу крапель за розміром. 46 4.3.1. Методи вимірювання для визначення розмірів крапель. 46 4.3.2. Експериментальне налаштування процедури SizingMaster-Shadow. 47 4.3.3. Оцінка силуетних записів. 49 4.3.4. Визначення швидкості крапель. 52 4.3.5. Аналіз та виправлення помилок. 52 5. Ймовірність займання 57 5.1. Імовірність фракції запальної суміші. 57 vii

2.2 Первинна атомізація 11 10 Онесордже число О 1 0,1 0,01 Релеєвий розпад 1. Розпад, спричинений вітром 2. Розпад, спричинений вітром Атомізація 0,001 1 10 100 1000 10000 100000 Число Рейнольдса Re Рисунок 2.2.: Діаграма Онесорге: Підрозділ типів розпаду залежно від Рейнольдса Кількість та безліч номерів допомоги [92]. l g Re l Oh Релеєва індукована вітром атомізація Рисунок 2.3.: Тривимірна діаграма відсутності занепокоєння: Окрім впливу числа Рейнольдса на режим розпаду, показана також залежність співвідношення щільності між навколишнім газом і рідиною [91].

2.3 Вторинне розпилення 13 E = d D, min d D, max (2.11) d D, max d D, min Рисунок 2.5.: Деформація краплі внаслідок атаки зовнішніх сил. Ця деформація описує початковий процес розпаду крапель. Аеродинамічні сили спричиняють нестабільність на поверхні краплі або на цілій краплі, що в кінцевому підсумку призводить до розпаду крапель та утворення менших крапель. Процеси дезінтеграції відбуваються до тих пір, поки число Вебера за краплями We в результаті подальшого розпаду не опуститься нижче критичного значення. На рис. 2.6 показані типи розпаду крапель як функція від числа Вебера We [84]. Перераховані числа Вебера застосовуються з невеликим впливом в'язкості, тобто від 10 до [50].

18 Основи згоряння крапель FFFWPA Вагова сила: FG = ρ P g 4 3 πr3 (2,15) P x плавучість: FA = ρ F g 4 3 πr3 (2,16) FGG опору: FW = ρ F 2 ẋ2 πr 2 c D (2,17) Інерція: FP = ρ P 4 3 πr3 ẍ (2.18) Рисунок 2.10.: Сили, що діють на частинку. для сфери з кінематичною в'язкістю середовища, що протікає навколо ν у напрямку x до c D = 24 Re = 12ν ẋr. (2.19) Баланс сил є результатом F G = F A + F W + F P (2.20) та результатів прискорення, беручи до уваги рівняння 2.19 з прискоренням під дією сили тяжіння g ẍ = (1 ρ F) g 9ρ F ν ẋ. (2.21) ρ P 2ρ P r2 Інтегрування рівняння 2.21 і припущення про велике відношення щільності ρ P >> ρ F [10] забезпечують кінцеву швидкість, яку частинка прийняла через дуже довгий час: ẋ = 2ρ P r 2 9ρ F ν (1 ρ F ρ P) g = τ r Г. (2.22) Тут τ r являє собою час відгуку: τ r = 2ρ P r 2 9ρ F ν. (2.23) Характерний часовий масштаб потоку τ C формується з частки характеристичної довжини L і швидкості потоку U. З залежністю від рівняння 2.23 число Стокса випливає із St = 2ρ P r 2 L 9ρ F νu (2.24)

4.2 Томографічна лазерна доплерівська анемометрія 41 Рисунок 4.3.: Схематичне зображення пристрою LDA у методі зворотного розсіювання з розширенням клітини Брегга 1 м = 4,4 мм в поперечному перерізі ін'єкційної трубки, діаметр якої d = 2 мм. Як результат, неможливо локально призначити падіння обсягу вимірювання. Для того, щоб усе-таки отримати високу просторову роздільну здатність, швидкості, записані інтегрально за об'ємом вимірювання, реконструюються томографічно за допомогою зворотного перетворення Радона [39]. Рисунок 4.4.: Положення вимірювальної головки LDA на камері. Траверса переміщує вимірювальну головку під вихідний отвір ін'єкційної трубки перпендикулярно осі вільного струменя. 4.2.2. Основні особливості перетворення Радону Далі пояснюються відповідні взаємозв'язки щодо перетворення Радону [114]. Нехай f (x, y) - двовимірний об'єкт у просторі позицій (x, y). Система координат, повернена на кут θ відносно (x, y), має координати t і s. Паралельна проекція q θ (t) у напрямку s на кут θ визначається як

50 Стандарт вимірювальної технології. Значення сірого 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 20 40 60 80 100 пікселів Найбільша інтенсивність, що зустрічається, Глобальне граничне значення Найнижча інтенсивність, що зустрічається Рисунок 4.8.: Відображення інтенсивності об’єкта в розрізі через зображення. Верхнє та нижнє граничні значення визначають діапазон вимірюваної інтенсивності зображення. Оцінюються ділянки, які перевищують глобальне граничне значення. потім відкидаються, якщо вони перевищують загальнодоступне граничне значення. Області, що перевищують загальнодоступне граничне значення, розглядаються окремо на наступному етапі оцінки. На третьому кроці кожен об'єкт, що перевищує загальнодоступне граничне значення, стає нормою. Значення сірого 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Найнижча інтенсивність 0 20 40 60 80 100 пікселів Мінімальне значення сірого Найвища інтенсивність Глобальне граничне значення Рисунок 4.9.: Поперечний переріз зображення без крапель. Ділянки, які перевищують загальний поріг, але нижче мінімального значення сірого, не оцінюються. Це запобігає оцінці записів без падінь.

4.3 Процедура вимірювання розподілу крапель за розміром 51 Норма. Сіре значення 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 л BoundingBox 0 20 40 60 80 100 пікселів l AoI Найвища інтенсивність, що зустрічається Глобальне порогове значення Граничне значення Найнижча інтенсивність, що виникає, Мінімальне порогове значення Рисунок 4.10.: Глобальне граничне значення визначає площу об'єкта, що оцінюється . Обмежувальне поле збільшено на величину, щоб сформувати область інтересів (AoI). укладається прямокутник (обмежувальна коробка) з довжиною краю l обмежувальна коробка. Краї обмежувального вікна знаходяться в точці по периметру об’єкта, де сіре значення об’єкта перетинає глобальне граничне значення (рис. 4.10). Тоді об’єкт стає нормою. Сіре значення 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 d O, хв d O, макс. 30 40 50 60 70 80 пікселів Максимальне граничне значення = 100% Верхнє граничне значення = 50% Нижнє граничне значення = 30% Мінімальне граничне значення = 0% Рисунок 4.11.: Індивідуальна оцінка інформації об’єкта, що знаходиться в AoI. Верхнє та нижнє граничні значення визначаються щодо різниці між найвищим значенням сірого та найменшим значенням сірого об'єкта. Отриманий діаметр - це середнє значення d O, min та d O, max, яке є результатом перетину граничних значень із сірою кривою значення об'єкта.

4.3 Процедура вимірювання розподілу за розміром крапель 55 Виконуйте дії на 35 мм з кроком 5 мм. Повернення до контрольної точки здійснювалось без проміжного кроку. Це призвело до відхилення 0,26 мм. Це призводить до загального відхилення у вертикальному напрямку 0,37%.

5.9 Експериментальне дослідження самозаймання 75 Рисунок 5.18.: Послідовність високошвидкісного тіньового зображення. Орієнтовний час тут є початком припливу та визначає час t = 0ms. Запалювання відбувається при t = 3 мс (p inj = 70 бар, p K = 40 бар, T inj = 620 K, T K = 720 K).

5.9 Експериментальне дослідження самозаймання 77 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 8,0 мс 9,0 мс 10,2 мс 10,8 мс 10,8 мс 11,1 мс 11,4 мс 11,7 мс 12,3 мс 13,0 мс 14,0 мс 0 5 10 15 х/д Рисунок 5.19.: Середньофазовий розвиток формальдегіду в реактивний паливний газ, вільний струмінь (p inj = 70 бар, p K = 20 бар, T inj = 500 K, TK = 720 K). Інтенсивність нормується до максимальної інтенсивності при t = 11,4 мс.

84 Дослідження впорскування рідкого палива 30 28 26 v ax [м/с] 24 22 20 18 16 14 1 0,5 0 y [мм] -0,5-1 -1-0,5 0 x [mm] 0,5 1 Рисунок 6.7.: Реконструйовано Поле швидкості (p K = 20 бар, p inj = 70 бар). Сині крапки представляють відновлене значення швидкості відповідно до просторового дозволу. Це можна пояснити тим, що дестабілізуючі сили нижче в центрі розпилення, ніж у крайовій зоні потоку труби. Дослідження газової вільної струменя показує, що повністю розроблений профіль потоку турбулентної труби можна виміряти незабаром після початку припливу [41]. Це означає, що 30 70-> 20 70-> 30 70-> 40 Осьова швидкість [м/с] 25 20 15 10 5-1 -0,5 0 0,5 1 радіус [мм] Рисунок 6.8.: Реконструйовані профілі швидкості при p K = 20 бар, 30 бар і 40 бар при p inj = 70 бар.

6.2 Вимірювання характерних кількостей розпилення 89 0 x/d 0,25 0,5 0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 y/d Рисунок 6.12.: Сегментація об’єктів, що перевищують глобальну граничну величину. Нижній край ін'єкційної трубки також визначається на цьому етапі на основі градієнта інтенсивності. 0 x/d 0,25 0,5 0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 y/d Рисунок 6.13.: Результат окремого аналізу окремих об'єктів. Швидкість падіння зазначається для кожного перевіреного падіння за умови, що відповідне падіння виявляється на другому подвійному зображенні.

6.2 Вимірювання характерних розмірів розпилювача 97 0,2 x/d = 0 0,2 x/d = 5 0,15 0,15 PDF 0,1 PDF 0,1 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 D [мкм] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [мкм ] (a) x/d = 0,19 мс (b) x/d = 5,18 мс 0,2 x/d = 10 0,2 x/d = 15 0,15 0,15 PDF 0,1 PDF 0,1 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 D [мкм] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [мкм] (c) x/d = 10, 18 мс (d) x/d = 15, 21 мс Рисунок 6.20.: Вибрані гістограми розподілу розміру крапель на осі розпилення (y/d = 0) при p K = 20 бар і p inj = 60 бар в різний час. Класи розміру крапель будуються на основі їх вірогідності появи.

6.2 Вимірювання характерних розмірів розпилювача 99 0,3 x/d = 0 0,3 x/d = 5 0,25 0,25 0,2 0,2 ​​PDF 0,15 PDF 0,15 0,1 0,1 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 D [мкм] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [мкм] (a) x/d = 0, 20 мс (b) x/d = 5, 19 мс 0,3 x/d = 10 0,3 x/d = 15 0,25 0,25 0,2 0,2 ​​PDF 0,15 PDF 0,15 0,1 0,1 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 D [мкм] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [мкм] (c) x/d = 10, 17 мс (d) x/d = 15, 18 мс Рисунок 6.22.: Вибрані гістограми розподілу розміру крапель на осі розпилення (y/d = 0) при p K = 20 бар і p inj = 80 бар. Класи розміру крапель будуються на основі їх вірогідності появи.

100 Дослідження впорскування рідкого палива 3 2 50 м 3 2 50 м 1 1 р/д 0 р/д 0-1 -1-2 т = 24 мс p Inj = 60 бар -2 т = 20 мс p Inj = 80 бар -3 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 х/д -3 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 х/д Рис. з p inj = 80 бар SMD побудовано на рис. 6.25. Тут часовий розвиток SMD не накладається на місця вимірювання в розпилювачі, як при p inj = 60 бар. Це означає, що краплі зменшуються в діаметрі із збільшенням відстані від виходу ін'єкційної трубки. Це пов’язано з більшою швидкістю падіння. 200 180 160 140 x/d = 0 x/d = 5 x/d = 10 x/d = 15 SMD [мкм] 120 100 80 60 40 20 0 15 20 25 30 35 Час після початку введення [мс] Малюнок 6.24.: Просторово розрізнений SMD при p inj = 60 бар і p K = 20 бар при чотирьох положеннях на осі розпилення.

6.2 Вимірювання характерних розмірів розпилювача 0,3 200 0,25 150 0,2 100 0,15 0,1 50 0 0 250 0,35 Розмір краплі [мкм] Розмір краплі [мкм] 250 0 150 0,2 100 0,15 0,1 0,05 20 40 Швидкість [м/с] (c) x/d = 10, y/d = 0, t = 19 мс 0 Розмір падіння [мкм] Розмір падіння [мкм] 0,25 0 0 150 0,2 100 0,15 0,1 0,05 20 40 Швидкість [м/с] 250 0,3 50 0,25 0 (b) x/d = 5, y/d = 0,5 1, t = 19 мс 0,35 200 0,3 200 0 0 (a) x/d = 5, y/d = 0, t = 19 ms 250 0,35 50 0,05 20 40 Швидкість [м/с] 103 0,35 0,3 200 0,25 150 0,2 100 0,15 0,1 50 0 0 0,05 20 40 Швидкість [м/с] 0 (d) x/d = 10, y/d = 0,5 1, t = 19 мс Рисунок 6.27.: Вибрані зв’язані функції щільності ймовірності розподіл крапель за розміром та розподіл швидкості крапель при pinj = 60 бар і pk = 20 бар.