Експериментални изследвания на фактори, влияещи върху самозапалването на газообразни и

KIT Scientific Reports 7555 Експериментални изследвания на фактори, влияещи върху спонтанното запалване на струи без газове и течно гориво Christian Pfeifer Karlsruhe Institute of Technology (KIT)

фактори

Кристиан Пфайфер Експериментални изследвания на влияещи фактори върху самозапалването на газови и течни струи без гориво

Технологичен институт Карлсруе КОМПЛЕКТ НАУЧНИ ДОКЛАДИ 7555

Експериментални изследвания на фактори, влияещи върху спонтанното запалване на струи без газове и течно гориво от Кристиан Пфайфер

Доклад № KIT-SR 7555 Дисертация, Технологичен институт Карлсруе, Факултет по машиностроене, 2010 г. Устен изпит: 22 април 2010 г. Лектори: проф. Д-р инж. хабил. Andreas Class, проф. Д-р обратно нат. хабил. Ulrich Maas Imprint Karlsruhe Institute of Technology (KIT) KIT Scientific Publishing Strasse am Forum 2 D-76131 Karlsruhe www.ksp.kit.edu KIT Университет в провинция Баден-Вюртемберг и национален изследователски център в Асоциацията Helmholtz Тази публикация е достъпна в Интернет на следния Лиценз на Creative Commons публикуван: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/ KIT Scientific Publishing 2010 Печат при поискване ISSN 1869-9669 ISBN 978-3-86644-525-3

Съдържание 1. Въведение 1 1.1. Състояние на изследванията. 2 1.2. Поставяне на цели. 4 1.3. Контур на работата. 6 2. Основи на изгарянето на капките 7 2.1. Безразмерни параметри. 7 2.2. Първично пулверизиране. 9 2.3. Вторично атомизиране. 12 2.4. Взаимодействие на капки. 15 2.5. Способност за проследяване. 17 2.6. Среден диаметър. 19 2.7. Характерен диаметър. 19 2.8. Капково изпарение. 20 2.9. Режими на изгаряне на капчици. 22 3. Описание на експеримента 25 3.1. Растение TROJA. 25 3.2. Пречистване на подаването на газ. 26 3.3. Гориво. 28 3.4. Инжекционна система. 33 3.5. Смесване в запалителната камера. 33 3.6. Определяне на температурата. 35 4. Измервателна технология 37 4.1. Процес на предавана светлинна сянка. 37 4.2. Томографска лазерна доплер анемометрия. 38 4.2.1. Лазерна доплер анемометрия. 38 4.2.2. Основни характеристики на трансформацията на Радон. 41 4.2.3. Принцип за томографска реконструкция. 43 4.2.4. Анализ на отказите. 45 4.3. Метод за измерване на разпределението на размера на капката. 46 4.3.1. Методи за измерване за определяне на размера на капчиците. 46 4.3.2. Експериментална настройка на SizingMaster-Shadow-Процедура. 47 4.3.3. Оценка на силуетните записи. 49 4.3.4. Определяне на скоростта на капките. 52 4.3.5. Анализ и корекция на грешки. 52 5. Вероятност от запалване 57 5.1. Вероятност за фракция на запалителна смес. 57 vii

2.2 Първично пулверизиране 11 10 Ohnesorge номер Oh 1 0.1 0.01 Rayleigh разпад 1. Индуциран от вятъра разпад 2. Induced индуциран разпад Atomization 0.001 1 10 100 1000 10000 100000 Reynolds number Re Фигура 2.2.: Ohnesorge диаграма: Разделяне на видовете разпадане в зависимост от Reynolds Номер и безброй номер на грижи [92]. l g Re l Oh Rayleigh вятър-индуцирана атомизация Фигура 2.3.: Триизмерна диаграма на безпокойство: В допълнение към влиянието на числото на Рейнолдс върху режима на разпадане, е показана и зависимостта на съотношението на плътността между околния газ и течността [91].

2.3 Вторично пулверизиране 13 E = d D, min d D, max (2.11) d D, max d D, min Фигура 2.5.: Деформация на капка поради атака на външни сили. Тази деформация описва първоначалния процес на разпадане на капки. Аеродинамичните сили причиняват нестабилност върху повърхността на капката или в цялата капка, което в крайна сметка води до разпадане на капките и образуване на по-малки капки. Процесите на дезинтеграция протичат, докато числото на Вебер We на капките в резултат на по-нататъшно разпадане падне под критичната стойност. Фиг. 2.6 показва видовете разпадане на капчиците като функция от числото на Вебер We [84]. Изброените числа на Вебер се прилагат, когато има слабо влияние на вискозитета, т.е. О 10 на [50].

18 Основи на изгарянето на капчици FFFWPA Сила на тегло: FG = ρ P g 4 3 πr3 (2.15) P x Плавучест: FA = ρ F g 4 3 πr3 (2.16) FFG съпротивление: FW = ρ F 2 ẋ2 πr 2 c D (2.17) Инерция: FP = ρ P 4 3 πr3 ẍ (2.18) Фигура 2.10.: Сили, действащи върху частица. за сфера с кинематичен вискозитет на средата, течаща около ν в посока x до c D = 24 Re = 12ν ẋr. (2.19) Балансът на силите е резултат от F G = F A + F W + F P (2.20) и за резултатите от ускорението, като се вземе предвид уравнението 2.19 с ускорение поради гравитацията g ẍ = (1 ρ F) g 9ρ F ν ẋ. (2.21) ρ P 2ρ P r2 Интегрирането на уравнение 2.21 и допускането за голямо съотношение на плътност ρ P >> ρ F [10] предоставят крайната скорост, която частицата е приела след много дълго време: ẋ = 2ρ P r 2 9ρ F ν (1 ρ F ρ P) g = τ r G. (2.22) Тук τ r представлява времето за реакция: τ r = 2ρ P r 2 9ρ F ν. (2.23) Характерната времева скала на потока τ C се формира от коефициента на характерната дължина L и скоростта на потока U. С връзката от урав 2.23 Стоксовото число е резултат от St = 2ρ P r 2 L 9ρ F νu (2.24)

4.2 Томографска лазерна доплерова анемометрия 41 Фигура 4.3.: Схематично представяне на LDA устройство в метода за обратно разсейване с удължение на клетка на Bragg от 1 m = 4,4 mm напречното сечение на инжекционната тръба, която има диаметър d = 2 mm. В резултат на това не е възможно локално да се определят капки в обема на измерване. За да се получи все пак висока пространствена разделителна способност, скоростите, записани интегрално по измерващия обем, се реконструират томографски, като се използва обратното преобразуване на Радон [39]. Фигура 4.4.: Положение на измервателната глава LDA върху камерата. Траверсът премества измервателната глава под изхода на инжекционната тръба перпендикулярно на оста на свободната струя. 4.2.2. Основни характеристики на Радоновата трансформация По-нататък са обяснени съответните връзки по отношение на Радоновата трансформация [114]. Нека f (x, y) е двуизмерен обект в позиционното пространство (x, y). Координатна система, завъртяна с ъгъла θ по отношение на (x, y), има координатите t и s. Паралелната проекция q θ (t) в посока s под ъгъла θ се дава от

50 Технологичен стандарт за измерване. Сива стойност 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 пиксела Най-често срещана интензивност Глобална гранична стойност Най-ниска интензивност Фигура 4.8.: Представяне на интензивността на обект в участък чрез изображение. Горната и долната гранични стойности определят обхвата на измерения интензитет в изображението. Оценяват се области, които са над глобалната гранична стойност. след това се изхвърлят, ако са над глобалната гранична стойност. Областите над глобалната пределна стойност се изследват отделно в следващата стъпка от оценката. В третата стъпка всеки обект, който е над глобалната гранична стойност, се превръща в норма. Стойност на сивото 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Най-ниска интензивност 0 20 40 60 80 100 пиксела Минимална стойност на сивото Най-често срещана интензивност Глобална гранична стойност Фигура 4.9. Области, които са над глобалната прагова стойност, но под минималната сива стойност, не се оценяват. Това предотвратява оценката на записите без капки.

4.3 Процедура за измерване на разпределението на размера на капчиците 51 Норма. Сива стойност 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 l BoundingBox 0 20 40 60 80 100 пиксела l AoI Най-често срещана интензивност Глобална прагова гранична стойност Най-ниска интензивност Минимален праг Фигура 4.10.: Глобалната гранична стойност определя площта на обекта, който се оценява . Ограничителното поле се увеличава със сума, за да образува зоната на интерес (AoI). полага се правоъгълник (ограничителна кутия) с ограничителна кутия с дължина на ръба l. Ръбовете на ограничителното поле са в точката по периметъра на обекта, където сивата стойност на обекта пресича глобалната гранична стойност (фиг. 4.10). Тогава обектът се превръща в норма. Сива стойност 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 d O, мин. D O, макс. 30 40 50 60 70 80 пиксела Максимална гранична стойност = 100% Горна гранична стойност = 50% Долна гранична стойност = 30% Минимална гранична стойност = 0% Фигура 4.11.: Индивидуална оценка на информацията на обект, който е в AoI. Горната и долната гранична стойност са дефинирани спрямо разликата между най-високата стойност на сивото и най-малката стойност на сивото на обекта. Полученият диаметър е средната стойност на d O, min и d O, max, които са резултат от пресичането на граничните стойности със сивата крива на стойност на обекта.

4.3 Процедура за измерване на разпределението на размера на капката 55 Продължете с 35 mm на стъпки от 5 mm. Връщането към референтната точка се извършва без междинна стъпка. Това доведе до отклонение от 0,26 mm. Това води до общо отклонение във вертикална посока от 0,37%.

5.9 Експериментално изследване на самозапалването 75 Фигура 5.18.: Последователност на високоскоростно изображение в сянка. Референтното време тук е началото на притока и определя времето t = 0ms. Запалването става при t = 3ms (p inj = 70bar, p K = 40bar, T inj = 620 K, T K = 720 K).

5.9 Експериментално изследване на самозапалване 77 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 8.0ms 9.0ms 10.2ms 10.8ms 10.8ms 11.1ms 11.4ms 11.7ms 12.3ms 13.0ms 14.0ms 0 5 10 15 x/d Фигура 5.19. реактивна горивна струя без газ (p inj = 70bar, p K = 20bar, T inj = 500 K, TK = 720 K). Интензитетът се нормализира до максималния интензитет, който се появява при t = 11,4 ms.

84 Изследване на впръскването на течно гориво 30 28 26 v ax [m/s] 24 22 20 18 16 14 1 0,5 0 y [mm] -0,5-1 -1-0,5 0 x [mm] 0,5 1 Фигура 6.7.: Реконструиран Скоростно поле (p K = 20bar, p inj = 70bar). Сините точки представляват реконструирана стойност на скоростта според пространствената разделителна способност. Това може да се отдаде на факта, че дестабилизиращите сили са по-ниски в центъра на пръскането, отколкото в областта на ръба на тръбния поток. Изследването на газообразната свободна струя показва, че напълно развит профил на турбулентен поток на тръбата може да бъде измерен малко след началото на притока [41]. Това означава, че 30 70-> 20 70-> 30 70-> 40 Аксиална скорост [m/s] 25 20 15 10 5-1 -0,5 0 0,5 1 радиус [mm] Фигура 6.8.: Реконструирани профили на скоростта при p K = 20bar, 30bar и 40bar с p inj = 70bar.

6.2 Измерване на характерни количества спрей 89 0 x/d 0,25 0,5 0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 y/d Фигура 6.12.: Сегментиране на обекти над глобалната гранична стойност. Долният ръб на инжекционната тръба също се идентифицира в тази стъпка въз основа на градиента на интензитета. 0 x/d 0,25 0,5 0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 y/d Фигура 6.13.: Резултат от отделния анализ на отделните обекти. Скоростта на падане се отбелязва за всяка валидирана капка, при условие, че във второто двойно изображение се намери съответна капка.

6.2 Измерване на характерни размери на спрея 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 [µm] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm ] (a) x/d = 0,19 ms (b) x/d = 5,18 ms 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 [µm] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] (c) x/d = 10, 18 ms (d) x/d = 15, 21 ms Фигура 6.20. (y/d = 0) при p K = 20bar и p inj = 60bar по различно време. Класовете на размера на капките се нанасят в зависимост от тяхната вероятност за поява.

6.2 Измерване на характерни размери на спрея 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 [µm] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] (a) x/d = 0, 20 ms (b) x/d = 5, 19 ms 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 [µm] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] (c) x/d = 10, 17 ms (d) x/d = 15, 18 ms Фигура 6.22.: Избрани хистограми на разпределението на размера на капката по оста на пръскане (y/d = 0) при p K = 20bar и p inj = 80bar. Класовете на размера на капките се нанасят срещу вероятността от тяхното възникване.

100 Изследване на впръскването на течно гориво 3 2 50 m 3 2 50 m 1 1 y/d 0 y/d 0-1 -1-2 t = 24 ms p Inj = 60 bar -2 t = 20 ms p Inj = 80 bar -3 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 x/d -3 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 x/d Фигура 6.23.: Пространствено разрешено разпределение на средния диаметър на капката за p inj = 60 и 80 bar при p K = 20 bar за инжекционно налягане от p inj = 80bar SMD е начертан на фиг. 6.25. Тук развитието на времето на SMD не се наслагва при измервателните позиции в спрея, както е в случая с p inj = 60bar. Това означава, че капчиците намаляват в диаметър с увеличаване на разстоянието от изхода на инжекционната тръба. Това се дължи на по-високата скорост на падане. 200 180 160 140 x/d = 0 x/d = 5 x/d = 10 x/d = 15 SMD [µm] 120 100 80 60 40 20 0 15 20 25 30 35 Време след началото на инжектирането [ms] Фигура 6.24.: Пространствено разрешената SMD при p inj = 60bar и p K = 20bar при четири позиции на оста на пръскане.

6.2 Измерване на характерни размери на спрея 0,3 200 0,25 150 0,2 100 0,15 0,1 50 0 0 250 0,35 Размер на капка [μm] Размер на капка [μm] 250 0 150 0,2 100 0,15 0,1 0,05 20 40 Скорост [m/s] (c) x/d = 10, y/d = 0, t = 19 ms 0 Размер на капка [μm] Размер на капка [μm] 0,25 0 0 150 0,2 100 0,15 0,1 0,05 20 40 Скорост [m/s] 250 0,3 50 0,25 0 (b) x/d = 5, y/d = 0,5 1, t = 19 ms 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 Скорост [m/s] 103 0,35 0,3 200 0,25 150 0,2 100 0,15 0,1 50 0 0 0,05 20 40 Скорост [m/s] 0 (d) x/d = 10, y/d = 0,5 1, t = 19 ms Фигура 6.27.: Избрани свързани функции на плътността на вероятността разпределението на размера на капчиците и разпределението на скоростта на капката при pinj = 60 bar и pk = 20 bar.