Експериментални испитувања на факторите кои влијаат на спонтаното палење на гасовити и

Научни извештаи на КИТ 7555 Експериментални истражувања на влијаните фактори врз спонтаното палење авиони без гасовити и течни горива, Технолошки институт Кристијан Фајфер Карлсруе (КИТ)

спонтаното

Кристијан Фајфер Експериментални студии за влијанието на факторите врз спонтаното палење на авиони без гасовити и течни горива

Карлсруе Институт за технологија КОМПЛЕТ НАУЧНИ ИЗВЕШТАИ 7555

Експериментални истражувања на факторите што влијаат на спонтаното палење на гасовити и без течни авиони од гориво од Кристијан Фајфер

Извештај бр. Дисертација KIT-SR 7555, Технолошки институт Карлсруе Машински факултет, Ден на усно испитување 2010 година: 22 април 2010 година Говорници: проф. Д-р-Инг. хабил Андреас Клас, проф. Д-р. рер. нат хабил Улрих Маас Отпечаток Институт за технологија во Карлсруе (КИТ) КИТ Научно издаваштво Страз на форум 2 Д-76131 Карлсруе www.ksp.kit.edu Универзитет КИТ во Државата Баден-Виртемберг и национален истражувачки центар во Здружението Хелмхолц Оваа публикација е достапна на Интернет на следново Објавена лиценцата Криејтив комонс: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/ KIT Научно издаваштво 2010 Печати по барање ISSN 1869-9669 ISBN 978-3-86644-525-3

Содржина 1. Вовед 1 1.1. Состојба на истражување. 2 1.2. Поставување на цел. 4 1.3. Преглед на работа. 6 2. Основи на согорување на капки 7 2.1. Бездимензионални параметри. 7 2.2. Примарна атомизација. 9 2.3. Секундарна атомизација. 12 2.4. Интеракција на капки. 15 2.5. Можност за следење. 17 2.6. Среден дијаметар. 19 2.7. Карактеристичен дијаметар. 19 2.8. Испарување на пад. 20 2.9. Режими на согорување на капки. 22 3. Опис на експериментот 25 3.1. Растение ТРОЈА. 25 3.2. Снабдување со чист гас. 26 3.3. Гориво. 28 3.4. Систем за инјектирање. 33 3.5. Мешање во комората за палење. 33 3.6. Определување на температурата. 35 4. Технологија на мерење 37 4.1. Пренесен процес на светлосен сенка. 37 4.2. Томографска ласерска дополерска анемометрија. 38 4.2.1. Анемометрија на ласерски доплер. 38 4.2.2. Основни карактеристики на трансформацијата на Радон. 41 4.2.3. Принцип за томографска реконструкција. 43 4.2.4. Анализа на неуспех. 45 4.3. Метод за мерење на дистрибуцијата на големината на капките. 46 4.3.1. Методи за мерење за одредување на големината на капките. 46 4.3.2. Експериментално поставување на процесот на SizingMaster Shadow 47 4.3.3. Евалуација на снимките од силуетата. 49 4.3.4. Одредување на брзината на капките. 52 4.3.5. Анализа и корекција на грешки. 52 5. Веројатност за палење 57 5.1. Веројатност на фракцијата на мешавината на палење. 57 vii

2.2 Примарна атомизација 11 10 Број на Онесхорх О 1 1, 0, 0,01 Раји распаѓање 1. Распаѓање предизвикано од ветер 2. Распаѓање предизвикано од ветер Атомизација 0,001 1 10 100 1000 10000 100000 Број на Рејнолдс Слика 2.2.: Дијаграм на Онесорг: Поделба на видовите на распаѓање во зависност од Рејнолдс Број и безброј број за нега [92]. l g Re l О, Рејли, предизвикана од атомизација на ветерот Слика 2.3.: Три-димензионален дијаграм за загриженост: Покрај влијанието на бројот на Рејнолдс на режимот на распаѓање, прикажана е и зависноста на односот на густина помеѓу амбиентниот гас и течноста [91].

2.3 Секундарна атомизација 13 E = d D, min d D, max (2.11) d D, max d D, min Слика 2.5.: Деформација на пад како резултат на напад на надворешни сили. Оваа деформација го опишува почетниот процес на распаѓање на падот. Аеродинамичките сили предизвикуваат нестабилност на површината на падот или во целиот пад, што на крајот доведува до распаѓање на капките и формирање на помали капки. Процесите на распаѓање се одвиваат сè додека Веберовиот број We од капките што произлегуваат од понатамошно распаѓање не падне под критичната вредност. Сл. 2.6 ги прикажува видовите на распаѓање на капки како функција на Веберовиот број We [84]. Наведените броеви на Вебер се применуваат со мало влијание на вискозитет, т.е. Ох 10 до [50].

18 Основи на согорување на капки FFFWPA Тежина на силата: FG = ρ P g 4 3 πr3 (2.15) P x пловна моќ: FA = ρ F g 4 3 πr3 (2.16) FFG влечење: FW = ρ F 2 ẋ2 πr 2 c D (2.17) Инерција: FP = ρ P 4 3 πr3 ẍ (2.18) Слика 2.10.: Сили кои дејствуваат на честичка. за сфера со кинематска вискозност на медиумот што тече околу ν во x насока до c D = 24 Re = 12ν r. (2.19) Балансот на силите произлегува од F G = F A + F W + F P (2.20) и за резултатите од забрзувањето, земајќи го предвид Eq. 2.19 со забрзувањето поради гравитацијата g ẍ = (1 ρ F) g 9ρ F ν ẋ. (2.21) ρ P 2ρ P r2 Интеграцијата на Eq. 2.21 и претпоставка за сооднос на голема густина ρ P >> ρ F [10] ја обезбедуваат крајната брзина што ја претпоставила честичката по многу долго време: ẋ = 2ρ P r 2 9ρ F ν (1 ρ F ρ Ρ) g = τ r Г. (2.22) Тука τ r претставува време на одговор: τ r = 2ρ P r 2 9ρ F ν. (2.23) Карактеристичната временска скала на протокот τ C се формира од количникот на карактеристичната должина L и брзината на проток U. Со врската од Eq. 2.23, бројот на Стоукс резултира како St = 2ρ P r 2 L 9ρ F νu (2.24)

4.2 Томографска анемометрија на доплер со ласер 41 Слика 4.3.: Шематски приказ на LDA аранжман во методот на заостанување со продолжување на клетките на Брег од 1 m = 4,4 mm пресек на цевката за инјектирање, со дијаметар d = 2 mm. Како резултат, не е можно локално да се доделуваат падови во волуменот на мерењето. Со цел да се добие висока просторна резолуција, брзините снимени интегрално над мерниот волумен се реконструираат томографски со помош на обратната радонска трансформација [39] Слика 4.4.: Позиција на главата за мерење на LDA на комората. Траверсот ја поместува мерната глава под излезот на цевката за инјектирање нормално на оската на слободниот млаз. 4.2.2. Основни карактеристики на трансформацијата на радонот Во следното, се објаснети релевантните односи во врска со трансформацијата на радонот [114]. Нека f (x, y) биде дводимензионален објект во позиционен простор (x, y). Координатен систем ротиран од аголот θ во однос на (x, y) ги има координатите t и s. Паралелната проекција q θ (t) во правец s под аголот θ е дадена со

50 Стандард за технологија за мерење. Сива вредност 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 пиксели Најголем интензитет Глобална гранична вредност Најмал интензитет што се појавува Слика 4.8.: Претставување на интензитетот на објектот во пресек преку слика. Горната и долната гранична вредност го дефинираат опсегот на измерениот интензитет на сликата. Областите што се над глобалната гранична вредност се проценуваат. потоа се отфрлаат ако се над глобалната гранична вредност. Областите над глобалната гранична вредност се испитуваат одделно во следниот чекор на евалуацијата. Во третиот чекор, секој објект што е над глобалната гранична вредност станува норма. Сива вредност 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Најнизок интензитет 0 20 40 60 80 100 пиксели Минимална сива вредност Најголем интензитет Глобална гранична вредност Слика 4.9.: Пресек низ слика без капки. Областите што се над глобалната вредност на прагот, но под минималната сива вредност не се проценуваат. Ова спречува евалуација на снимките без капки.

4.3 Постапка за мерење на дистрибуција на големината на капките 51 Норма. Сива вредност 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 пиксели l AoI Највисок интензитет Глобална гранична вредност на праг Најнизок интензитет Минимален праг Слика 4.10.: Глобалната гранична вредност ја дефинира областа на објектот што се проценува . Ограничената кутија е зголемена за износ за да се формира Областа на интерес (АОИ). е поставен правоаголник (гранична кутија) со должина на работ l граница за ограничување. Рабовите на ограничувачката кутија се наоѓаат во точката на периметарот на објектот каде што сивата вредност на објектот ја пресекува глобалната гранична вредност (слика 4.10). Тогаш објектот станува норма. Сива вредност 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, максимум 30 40 50 60 70 80 пиксели Максимална гранична вредност = 100% Горна гранична вредност = 50% Долна гранична вредност = 30% Минимална гранична вредност = 0% Слика 4.11.: Индивидуална проценка на информациите на објектот што се наоѓа во АОИ. Горната и долната гранична вредност се дефинирани во однос на разликата помеѓу најголемата сива вредност и најмалата сива вредност на објектот. Резултирачкиот дијаметар е средната вредност на d O, min и d O, max, што произлегува од пресекот на граничните вредности со кривата сива вредност на објектот.

4.3 Постапка за мерење на дистрибуцијата на големината на падот 55 Продолжете со 35 mm во чекори од 5 mm. Враќањето во референтната точка беше извршено без среден чекор. Ова резултираше со отстапување од 0,26 мм. Ова доведува до тотално отстапување во вертикалната насока од 0,37%.

5.9 Експериментална истрага на авто-палење 75 Слика 5.18.: Низа на брза слика во сенка. Референтното време тука е почеток на приливот и го дефинира времето t = 0ms. Палењето се одвива на t = 3ms (p inj = 70bar, p K = 40bar, T inj = 620 K, T K = 720 K).

5,9 Експериментална истрага на самозапалување 77 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 8,0 мм 9,0 мм 10,2 мм 10,8 мм 10,8 мс 11,1 мм 11,4 мм 11,7 мс 12,3 мм 13,0 мм 14,0 мм 0 5 10 15 х/г Слика 5.19.: Фаза-просечен развој на формалдехид кај реактивен млаз без гас (p inj = 70bar, p K = 20bar, T inj = 500 K, TK = 720 K). Интензитетот е нормализиран до максималниот интензитет што се случува при t = 11,4 ms.

84 Истражување на вбризгување на течно гориво 30 28 26 v секира [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 Слика 6.7.: Реконструиран Поле за брзина (p K = 20bar, p inj = 70bar). Сините точки претставуваат реконструирана вредност на брзината според просторната резолуција. Ова може да се припише на фактот дека силите на дестабилизација се пониски во центарот на прскањето отколку во областа на работ на протокот на цевката. Испитувањето на гасовитиот слободен млаз покажува дека целосно развиен профил на проток на бурна цевка може да се измери кратко време по почетокот на приливот [41] Ова значи дека 30 70-> 20 70-> 30 70-> 40 Аксијална брзина [m/s] 25 20 15 10 5-1 -0,5 0 0,5 1 радиус [mm] Слика 6.8.: Реконструирани профили на брзина на p K = 20bar, 30bar и 40bar со p inj = 70bar.

6.2 Мерење на карактеристичните количини на спрејот 89 0 x/d 0,25 0,5 0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 y/d Слика 6.12.: Сегментација на објекти над глобалната гранична вредност. Долниот раб на цевката за инјектирање е исто така идентификуван во овој чекор врз основа на градиентот на интензитет. 0 x/d 0,25 0,5 0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 y/d Слика 6.13.: Резултат на одделната анализа на одделните објекти. Брзината на пад се забележува за секој потврден пад, под услов да се најде соодветен пад на втората двојна слика.

6.2 Мерење на карактеристичните големини на спрејот 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 ] (а) 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 Слика 6.20.: Избрани хистограми на дистрибуција на големината на падот на оската на прскање (y/d = 0) при p K = 20bar и p inj = 60bar во различно време. Класите за големината на падот се цртаат наспроти нивната веројатност за појава.

6.2 Мерење на карактеристичните големини на спрејот 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 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 0,0 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 Д [µm] 0 0 50 100 150 200 250 300 Д [µm] (c) x/d = 10, 17 ms (d) x/d = 15, 18 ms Слика 6.22.: Избрани хистограми на дистрибуција на големината на падот на оската на прскање (y/d = 0) на p K = 20bar и p inj = 80bar. Класите за големината на падот се цртаат наспроти нивната веројатност за појава.

100 Истражување на вбризгување 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 бар -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 Слика 6.23.: Просторно решена дистрибуција на просечниот дијаметар на капка за p inj = 60 и 80 bar на p K = 20 bar за притисок на вбризгување од p inj = 80bar SMD е прикажан на слика 6.25. Овде, нема преклопување на развојот на SMD со текот на времето на мерните позиции во спрејот како со p inj = 60bar. Ова значи дека капките се намалуваат во дијаметар со зголемување на растојанието од излезот на цевката за инјектирање. Ова се должи на поголемата брзина на пад. 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 по почетокот на инјекцијата [ms] Слика 6.24.: Просторно решениот SMD на p inj = 60bar и p K = 20bar на четири позиции на оската на прскање.

6.2 Мерење на карактеристичните големини на спрејот 0,3 200 0,25 150 0,2 100 0,15 0,1 0 0 0 250 0,35 Големина на пад [μm] Големина на пад [μm] 250 0 150 0,2 100 0,15 0,1 0,05 20 40 Брзина [m/s] (c) x/d = 10, y/d = 0, t = 19 ms 0 Големина на пад [μm] Големина на пад [μm] 0,25 0 0 150 0,2 100 0,15 0,1 0,05 20 40 Брзина [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 Брзина [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 Брзина [m/s] 0 (d) x/d = 10, y/d = 0,5 1, t = 19 ms Слика 6,27.: Избрани врски со густина на веројатност дистрибуција на големината на капката и дистрибуција на брзината на капката при pinj = 60 bar и pk = 20 bar.