Investigații experimentale ale factorilor care influențează aprinderea spontană a gazelor și
KIT Scientific Reports 7555 Investigații experimentale ale factorilor care influențează aprinderea spontană a jeturilor gazoase și fără combustibil lichid Institutul de Tehnologie Christian Pfeifer Karlsruhe (KIT)
Christian Pfeifer Investigații experimentale ale factorilor care influențează aprinderea spontană a jeturilor gazoase și fără combustibil lichid
Institutul de Tehnologie Karlsruhe KIT RAPOARTE ȘTIINȚIFICE 7555
Investigații experimentale ale factorilor care influențează aprinderea spontană a jeturilor gazoase și fără combustibil lichid de către Christian Pfeifer
Raportul nr. KIT-SR 7555 Disertație, Institutul de Tehnologie Karlsruhe Facultatea de Inginerie Mecanică, 2010 Ziua examenului oral: 22 aprilie 2010 Vorbitori: Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Class, prof. Dr. rer. nat. habil. Ulrich Maas Imprint Karlsruhe Institute of Technology (KIT) KIT Scientific Publishing Strasse am Forum 2 D-76131 Karlsruhe www.ksp.kit.edu KIT Universitatea din statul Baden-Württemberg și centrul național de cercetare din Asociația Helmholtz Această publicație este disponibilă pe internet la următoarele Licență Creative Commons publicată: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/ KIT Scientific Publishing 2010 Print on Demand ISSN 1869-9669 ISBN 978-3-86644-525-3
Cuprins 1. Introducere 1 1.1. Starea cercetării. 2 1.2. Stabilirea obiectivelor. 4 1.3. Schița lucrului. 6 2. Bazele combustiei prin picurare 7 2.1. Parametri fără dimensiuni. 7 2.2. Atomizarea primară. 9 2.3. Atomizare secundară. 12 2.4. Interacțiunea picăturilor. 15 2.5. Abilitate de urmărire. 17 2.6. Diametru mediu. 19 2.7. Diametru caracteristic. 19 2.8. Evaporarea picăturilor. 20 2.9. Moduri de ardere a picăturilor. 22 3. Descrierea experimentului 25 3.1. Planta TROJA. 25 3.2. Alimentarea cu gaz de purjare. 26 3.3. Combustibil. 28 3.4. Sistem de injectare. 33 3.5. Amestecarea în camera de aprindere. 33 3.6. Determinarea temperaturii. 35 4. Tehnologia de măsurare 37 4.1. Procesul de umbră de lumină transmis. 37 4.2. Anemometrie tomografică cu laser Doppler. 38 4.2.1. Anemometrie cu laser Doppler. 38 4.2.2. Caracteristici de bază ale transformării Radon. 41 4.2.3. Principiu pentru reconstrucția tomografică. 43 4.2.4. Analiza eșecului. 45 4.3. Metoda de măsurare a distribuției dimensiunii picăturilor. 46 4.3.1. Metode de măsurare pentru determinarea dimensiunilor picăturilor. 46 4.3.2. Configurarea experimentală a SizingMaster-Shadow-Procedure 47 4.3.3. Evaluarea înregistrărilor siluetei. 49 4.3.4. Determinarea vitezei picăturilor. 52 4.3.5. Analiza și corectarea erorilor. 52 5. Probabilitatea de aprindere 57 5.1. Probabilitatea fracției amestecului de aprindere. 57 vii
2.2 Atomizare primară 11 10 Număr Ohnesorge Oh 1 0,1 0,01 Dezintegrare Rayleigh 1. Dezintegrare indusă de vânt 2. Dezintegrare indusă de vânt Atomizare 0,001 1 10 100 1000 10000 100000 Număr Reynolds Re Figura 2.2.: Diagrama Ohnesorge: Subdivizarea tipurilor de dezintegrare în funcție de Reynolds Numărul și numărul de îngrijire fără număr [92]. l g Re l Oh Rayleigh atomizare indusă de vânt Figura 2.3.: Diagrama tridimensională de îngrijorare: În plus față de influența numărului Reynolds asupra regimului de descompunere, este prezentată și dependența raportului de densitate dintre gazul ambiental și fluid [91].
2.3 Atomizare secundară 13 E = d D, min d D, max (2.11) d D, max d D, min Figura 2.5.: Deformarea unei căderi datorită atacului forțelor externe. Această deformare descrie procesul inițial de dezintegrare a picăturilor. Forțele aerodinamice provoacă instabilități pe suprafața picăturii sau în întreaga picătură, ceea ce duce în cele din urmă la dezintegrarea picăturilor și la formarea picăturilor mai mici. Procesele de dezintegrare au loc până când numărul Weber We al picăturilor rezultate în urma dezintegrării a scăzut sub valoarea critică. Fig. 2.6 arată tipurile de descompunere a picăturilor în funcție de numărul Weber We [84]. Numerele Weber enumerate se aplică atunci când există puțină influență a vâscozității, adică Oh 10 pe [50].
18 Fundamentele de ardere a picăturilor FFFWPA Forța de greutate: FG = ρ P g 4 3 πr3 (2.15) P x Flotabilitate: FA = ρ F g 4 3 πr3 (2.16) Rezistența FFG: FW = ρ F 2 ẋ2 πr 2 c D (2.17) Inerție: FP = ρ P 4 3 πr3 ẍ (2.18) Figura 2.10.: Forțele care acționează asupra unei particule. pentru o sferă cu vâscozitatea cinematică a mediului care curge în jurul lui ν în direcția x către c D = 24 Re = 12ν ẋr. (2.19) Bilanțul forțelor rezultă din F G = F A + F W + F P (2.20) și pentru rezultatele accelerației, luând în considerare ecuația. 2.19 cu accelerația datorată gravitației g ẍ = (1 ρ F) g 9ρ F ν ẋ. (2.21) ρ P 2ρ P r2 Integrarea ecv. 2.21 și presupunerea unui raport de densitate mare ρ P >> ρ F [10] asigură viteza finală pe care particula și-a asumat-o după foarte mult timp: ẋ = 2ρ P r 2 9ρ F ν (1 ρ F ρ P) g = τ r G. (2.22) Aici τ r reprezintă timpul de răspuns: τ r = 2ρ P r 2 9ρ F ν. (2.23) Scara caracteristică de timp a debitului τ C este formată din coeficientul lungimii caracteristice L și a vitezei de curgere U. Cu relația din ecuație. 2.23 numărul Stokes rezultă din St = 2ρ P r 2 L 9ρ F νu (2.24)
4.2 Anemometrie Doppler cu laser tomografic 41 Figura 4.3.: Reprezentarea schematică a unui aranjament LDA în metoda retrodifuzării cu extensie a celulei Bragg de 1 m = 4,4 mm secțiunea transversală a tubului de injecție, care are un diametru de d = 2 mm. Ca rezultat, nu este posibil să alocați local picături în volumul de măsurare. Pentru a obține în continuare o rezoluție spațială ridicată, vitezele înregistrate integral peste volumul de măsurare sunt reconstituite tomografic folosind transformarea inversă a radonului [39]. Figura 4.4.: Poziția capului de măsurare LDA pe cameră. Traversa deplasează capul de măsurare sub ieșirea tubului de injecție perpendicular pe axa jetului liber. 4.2.2. Caracteristici de bază ale transformării radonului În cele ce urmează, sunt explicate relațiile relevante cu privire la transformarea radonului [114]. Fie f (x, y) un obiect bidimensional în spațiul de poziție (x, y). Un sistem de coordonate rotit de unghiul θ față de (x, y) are coordonatele t și s. Proiecția paralelă q θ (t) în direcția s la unghiul θ este dată de
50 Standard tehnologic de măsurare. Valoare gri 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 pixeli Intensitate maximă maximă Valoare limită globală Intensitate minimă minimă Figura 4.8.: Reprezentarea intensității unui obiect într-o secțiune printr-o imagine. Valorile limită superioară și inferioară definesc intervalul intensității măsurate în imagine. Zonele care sunt peste valoarea limită globală sunt evaluate. apoi aruncate dacă sunt peste valoarea limită globală. Zonele peste valoarea limită globală sunt examinate separat în etapa următoare a evaluării. În al treilea pas, fiecare obiect care se află peste valoarea limită globală devine normă. Valoare gri 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Cea mai mică intensitate care apare 0 20 40 60 80 100 pixeli Valoare minimă de gri Cea mai mare intensitate care apare Valoare limită globală Figura 4.9.: Secțiune transversală printr-o imagine fără picături. Zonele care sunt peste pragul global, dar sub valoarea minimă de gri nu sunt evaluate. Acest lucru împiedică evaluarea înregistrărilor fără picături.
4.3 Procedura de măsurare a distribuției dimensiunii picăturilor 51 Norm. Valoare gri 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,1 0,1 0 l BoundingBox 0 20 40 60 80 100 pixeli l AoI Cea mai mare intensitate care apare Valoarea limită globală a pragului Cea mai mică intensitate care apare Pragul minim Figura 4.10.: Valoarea limită globală definește aria obiectului care este evaluat . Caseta de delimitare este mărită cu o sumă pentru a forma Zona de interes (AoI). este așezat un dreptunghi (cutie de delimitare) cu lungimea marginii l cutie de delimitare. Marginile casetei de delimitare se află în punctul de pe perimetrul obiectului în care valoarea gri a obiectului intersectează valoarea limită globală (Fig. 4.10). Atunci obiectul devine normă. Valoare gri 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 d O, min d O, max 30 40 50 60 70 80 pixeli Valoare limită maximă = 100% Valoare limită superioară = 50% Valoare limită inferioară = 30% Valoare limită minimă = 0% Figura 4.11.: Evaluarea individuală a informațiilor despre un obiect care se află în AoI. O valoare limită superioară și una inferioară sunt definite în raport cu diferența dintre cea mai mare valoare de gri și cea mai mică valoare de gri a obiectului. Diametrul rezultat este valoarea medie a do, min și do, max, care rezultă din intersecția valorilor limită cu curba valorii gri a obiectului.
4.3 Procedură pentru măsurarea distribuției dimensiunii picăturilor 55 Procedați cu 35 mm în trepte de 5 mm. Revenirea la punctul de referință a fost efectuată fără o etapă intermediară. Aceasta a dus la o abatere de 0,26 mm. Acest lucru duce la o abatere totală în direcția verticală de 0,37%.
5.9 Investigație experimentală de autoaprindere 75 Figura 5.18.: Secvența unei imagini de umbră de mare viteză. Timpul de referință aici este începutul intrării și definește timpul t = 0ms. Aprinderea are loc la t = 3ms (p inj = 70bar, p K = 40bar, T inj = 620 K, T K = 720 K).
5.9 Investigație experimentală de autoaprindere 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 Figura 5.19.: Dezvoltarea medie a fazei formaldehidei în jet fără gaz combustibil reactiv (p inj = 70bar, p K = 20bar, T inj = 500 K, TK = 720 K). Intensitatea este normalizată la intensitatea maximă care apare la t = 11,4 ms.
84 Investigarea injecției de combustibil lichid 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 Figura 6.7.: Reconstruit Câmpul vitezei (p K = 20bar, p inj = 70bar). Punctele albastre reprezintă o valoare a vitezei reconstruită în funcție de rezoluția spațială. Acest lucru poate fi atribuit faptului că forțele de destabilizare sunt mai mici în centrul pulverizării decât în zona de margine a fluxului conductei. O examinare a jetului gazos liber arată că un profil turbulent complet dezvoltat al debitului țevii poate fi măsurat la scurt timp după ce începe fluxul [41]. Aceasta înseamnă că 30 70-> 20 70-> 30 70-> 40 Viteză axială [m/s] 25 20 15 10 5-1 -0,5 0 0,5 1 rază [mm] Figura 6.8.: Profiluri de viteză reconstruite la p K = 20bar, 30bar și 40bar cu p inj = 70bar.
6.2 Măsurarea cantităților caracteristice ale spray-ului 89 0 x/d 0,25 0,5 0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 y/d Figura 6.12.: Segmentarea obiectelor peste valoarea limită globală. Marginea inferioară a tubului de injecție este, de asemenea, identificată în această etapă pe baza gradientului de intensitate. 0 x/d 0,25 0,5 0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 a/zi Figura 6.13.: Rezultatul analizei separate a obiectelor individuale. Viteza de scădere este notată pentru fiecare scădere validată, cu condiția să se găsească o scădere corespunzătoare în a doua imagine dublă.
6.2 Măsurarea dimensiunilor caracteristice ale pulverizatorului 97 0,2 x/d = 0 0,2 x/d = 5 0,15 0,15 PDF 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 = 0,19 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 Figura 6.20.: Histograme selectate ale distribuției dimensiunii picăturilor pe axa de pulverizare (y/d = 0) la p K = 20bar și p inj = 60bar la momente diferite. Clasele de dimensiuni ale picăturilor sunt reprezentate grafic în funcție de probabilitatea lor de apariție.
6.2 Măsurarea dimensiunilor caracteristice ale pulverizatorului 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 50 100 150 200 250 300 300 D [µm] (c) x/d = 10, 17 ms (d) x/d = 15, 18 ms Figura 6.22.: Histograme selectate ale distribuției dimensiunii picăturii pe axa de pulverizare (y/d = 0) la p K = 20bar și p inj = 80bar. Clasele de dimensiuni ale picăturilor sunt reprezentate grafic în funcție de probabilitatea lor de apariție.
100 Investigarea injecției de combustibil lichid 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 Figura 6.23.: Distribuția rezolvată spațial a diametrului picăturii medii pentru p inj = 60 și 80 bar la p K = 20 bar pentru o presiune de injecție de la p inj = 80bar SMD este reprezentat în fig. 6.25. Aici, dezvoltarea timpului SMD nu este suprapusă la pozițiile de măsurare în spray, ca și cu p inj = 60bar. Aceasta înseamnă că picăturile scad în diametru odată cu creșterea distanței de ieșirea tubului de injecție. Acest lucru se datorează vitezei de cădere mai mari. 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 Timp după începerea injecției [ms] Figura 6.24.: SMD rezolvat spațial la p inj = 60bar și p K = 20bar la patru poziții pe axa de pulverizare.
6.2 Măsurarea dimensiunilor caracteristice ale pulverizatorului 0,3 200 0,25 150 0,2 100 0,15 0,1 50 0 0 250 0,35 Dimensiunea picăturii [μm] Dimensiunea picăturii [μm] 250 0 150 0,2 100 0,15 0,1 0,05 20 40 Viteza [m/s] (c) x/d = 10, y/d = 0, t = 19 ms 0 dimensiune picătură [μm] dimensiune picătură [μm] 0,25 0 0 150 0,2 100 0,15 0,1 0,05 20 40 viteză [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 Viteză [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 Viteza [m/s] 0 (d) x/d = 10, y/d = 0,5 1, t = 19 ms Figura 6.27.: Funcții selectate ale densității probabilității limitate distribuția dimensiunii picăturilor și distribuția vitezei picăturilor la pinj = 60 bar și pk = 20 bar.