ПРИМЕНЕНИЕ  ФОРКАМЕРНО-ФАКЕЛЬНОГО  ПОДЖОГА  ПРИ  ТЕРМОИМПУЛЬСНОЙ  ОБРАБОТКЕ

Малашенко  Владимир  Львович

ст.  преподаватель  Национального  аэрокосмического  университета

«Харьковский  авиационный  институт»,  Украина,  г.  Харьков

E-mail:  k104@khai.edu

USING  OF  THE  PRECOMBUSTION  CHAMBER  IGNITION  DURING  THERMAL-PULSE  PROCESSING

Malashenko  Vladimir

senior  lecturer  of  National  aerospace  university  "Kharkov  aviation  institute",  Ukraine  Kharkov

АННОТАЦИЯ

Решается  задача  обеспечения  заданной  равномерности  температуры  продуктов  сгорания  при  термоимпульсной  обработке.  Обосновано  применение  форкамерно-факельного  поджога.  В  ходе  численного  моделирования  показано,  что  задача  может  быть  решена  заданием  размеров  и  положение  отверстий  перетекания.  Рекомендовано  использование  форкамерно-факельного  поджога  для  термоимпульсной  зачистки  деталей  из  термопластов.

ABSTRACT

The  problem  of  providing  a  predetermined  temperature  uniformity  of  combustion  products  during  thermal-pulse  processing  is  solved.  The  application  of  the  precombustion  chamber  ignition  is  substantiated.  During  the  numerical  simulation  shows  that  the  problem  can  be  solved  by  specifying  the  size  and  position  of  the  holes  overflowing.  It  is  recommended  using  of  the  precombustion  chamber  ignition  during  thermal-pulse  processing  of  parts  from  thermoplastics.

Ключевые  слова:  термоимпульсная  обработка;  форкамерно-факельный  поджог;  зачистка  деталей  из  термопластов.

Keywords:  thermal-pulse  processing;  precombustion  chamber  ignition;  edge  finishing  of  parts  from  thermoplastics.

Для  обработки  в  термоимпульсных  машинах  характерна  групповая  обработка  деталей.  Это  приводит  к  трудностям,  связанным  с  неоднородностью  поля  температур  после  сгорания  топливной  смеси.  Такая  неравномерность  вызвана  с  эффектом  Махе  —  разогревом  продук­тов  сгорания  за  счет  адиабатического  сжатия  .При  термоимпульсной  зачистке  изделий  из  пластмасс  неравномерность  температуры  и,  как  следствие  тепловых  потоков,  может  привести  к  браку.  Поэтому  для  обработки  пластмасс  равномерность  поля  температур  в  камере  термоимпульсной  установки  имеет  первоочередное  значение.

Известны  работы  по  созданию  систем  объемного  поджога  на  основе  химического  пробоя  топливной  смеси  коронным  разрядом  [3].  В  сравнении  с  локализованным  в  миллиметровом  зазоре  искровым  разрядом  размер  пульсирующей  высокочастотной  короны  в  камере  может  задаваться  произвольно.  В  системе  зажигания  фирмы  Etatech,  удалось  добиться  стабильного  образования  в  камере  18-сантиметрового  коронного  разряда,  что  практически  соответствует  размерам  камер  термоимпульсных  машин.  Химический  пробой  происходит  практически  одновременно  во  всем  объеме  камеры,  что  сокращает  период  сгорания  смеси  до  100—200  мкс.  В  настоящее  время  проводятся  испытания  системы,  но  конкретные  сроки  внедрения  не  называются. 

Другим  возможным  вариантом  выравнивания  температуры  продуктов  сгорания  может  быть  многоточечный  поджог  лазерным  излучением  [4].  В  настоящее  время  системы  лазерного  поджога  активно  разрабатываются  применительно  к  автомобильным  двигателям.  Однако  и  эти  системы  остаются  на  уровне  экспериментальных  образцов.

Поэтому  практически  единственным  вариантом  решения  задачи  является  использование  форкамерно-факельного  зажигания.

В  связи  с  этим  целью  настоящей  работы  была  разработка  методики  выбора  геометрических  параметров  форкамеры,  обеспечивающих  заданную  степень  равномерности  температур  при  термоимпульсной  зачистке  деталей  из  термопластов.  Рассматривался  случай  обработки  метано-воздушной  смесью  стехиометрического  состава.

Для  описания  сгорания  газовой  смеси  в  камере  термоимпульсной  ма­шины  использовать  модель  многокомпонентного  течения  реагирующих  газов,  включающая  урав­нения  Навье-Стокса,  стандартные  правила  смешения  и  уравнение  концентрации.         Зависимо­сти  плотности,  вязкости,  теплопроводности,  удельных  теплоемкостей,  коэф­фициентов  диффузии  компонентов  от  температуры  задавались  уравнениями  состояния  и  эмпирическими  уравнениями  [1].  Для  вычисления  турбулентной  вязкости  и  теплопроводности  использовалась  SST  модель  турбулентности.

Уравнения  баланса  реагентов  при  горении  предварительно  перемешанной  топливной  смеси  будет  иметь  вид

,

где:  —  содержание  реагента  ; 

—  скорость  смеси  в  направлении  ; 

—  стехиометрический  коэффициент  реагента    в  реакции  ; 

—  суммарное  количество  реакций; 

—  скорость  реакции  .

При  возникновении  детонации  в  уравнение  прогресса  реакции  до­бавлялся  до­полнительный  источниковый  член.  Величина  этой  составляющей  определялась  как  скорость  реакции  при  детонации. 

Для  определения  констант  прямых  и  обратных  реакций  используется  температурные  зависимости  Аррениуса: 

,

где:  ,  —  эмпирические  коэффициенты; 

—  энергия  активации. 

Механизм  горения  метана,  который  использовался  при  моделировании,  основывается  на  сокращенном  кине­тическом  механизме,  который  состоит  из  52  элементарных  реакций  и  включает  в  себя  19  реагента  [5].  Для  определения  констант  прямых  и  обратных  реакций  используется  температурные  зависимости  Аррениуса. 

Для  оценки  степени  однородности  смеси  будем  использовать  функции,  определяющие  математическое  ожидание  и  среднее  квадратичное  отклонение  температуры  продуктов  сгорания

,  (4)

.

Температуру  продуктов  сгорания  будем  считать  соответствующей  требованиям  термоимпульсной  обработки,  если    находится  внутри  диапазона  .

Моделирование  проводилось  для  определение  геометрических  параметров  форкамеры,  которая  располагалась  по  центру  рабочей  камеры.  При  моделировании  варьировались  диаметры  отверстий  перетекания,  их  количество  и  угла  расположения  относительно  оси  камеры.  Использование  интегрированного  подхода,  объединяющего  модуль  геометрического  моделирования,  генератор  сетки  и  препроцессор,  позволило  автоматически  перестраивать  расчетную  сетку  при  изменении  геометрических  параметров  модели,  что  существенно  сократило  общее  время  проведения  численного  эксперимента.

В  ходе  моделирования  была  установлена  конфигурация  форкамеры,  при  которой  равномерность  распределения  температуры  оказалась  наибольшей  —  среднеквадратичное  отклонение  составило  всего  0,88  %  при  средней  температуре  2636  К.  Этот  вариант  был  рекомендован  для  использования  при  термоимпульсной  обработке  изделий  из  пластмасс  [2].

Таким  образом,  в  ходе  численных  экспериментов  показано,  что  при  использовании  форкамерно-пламенного  поджога  можно  обеспечить  выполнение  требований  по  равномерности  температур  при  термоимпульсной  зачистке.  Предложена  методика  выбора  геометрических  параметров  форкамеры  для  термоимпульсной  установки,  основанная  на  проведении  численных  экспериментов  с  использованием  подробного  механизма  горения.  Показано,  что  при  варьировании  геометрических  размеров  и  количества  отверстий  перетекания  разброс  температур  может  быть  уменьшен  до  величины  меньшей  1  %  от  средней  температуры  в  камере. 

Список  литературы:

1.Зверев  И.Н.  Газодинамика  горения  /  И.Н.  Зверев,  Н.Н.  Смирнов.  М.:  Изд-во  Моск.  ун-та,  1987.  —  307  с.

2.Современные  методы  фи­нишной  очистки  интенсив­ными  потоками  энергии/  О.В.  Шипуль,  Е.В.  Цегельник  А.О.  Гарин  и  др.  Х.:  Нац.  аэрокосм.  ун-т  им.  Н.Е.  Жуковского  «Харьк.  авиац.  ин-т»,  2013.  —  189  с.

3.Miet  J.B.  Corona  ignition  system  for  highly  efficient  gasoline  engines/J.B.  Miet,  J.  Lykowski,  K.  Mixell//  MTZ  worldwide.  —  2013,  —  V.  74,  —  Is.  6.  —  P.  38—41. 

4.Weinrotter  M.  Application  of  laser  ignition  to  hydrogen-air  mixtures  at  high  pressures  /  M.  Weinrotter,  H.  Kopecek,  W.  Ernst  //  International  journal  of  hydrogen  energy.  2005.  30/3.  —  Р.  319—326.

5.Yungster  S.  Computation  of  shock-induced  combustion  using  a  detailed  methane-air  mecha­nism  /  S.,M.J.  Rabinowitz  //  Journal  of  propulsion  and  power.  —  1994.  —  Vol.  10,  —  №  5,  —  Р.  609—617.