So sánh bức xạ của bồ hóng trong ngọn lửa diesel cho bởi mô hình và thực nghiệm

Mô hình tích phân một chiều được xây dựng để tính toán bức xạ nhiệt của ngọn lửa Diesel cháy ngoài khí quyển và trong buồng cháy động cơ. Trên cơ sở nhiệt độ và nồng độ bồ hóng cho bởi lý thuyết màn lửa mỏng và mô hình tạo bồ hóng của Tesner-Magnussen, bức xạ nhiệt của đám mây bồ hóng tại các vị trí khác nhau trong ngọn lửa được xác định và so sánh với số liệu thực nghiệm cho bởi phương pháp hai bước sóng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
So sánh bức xạ của bồ hóng trong ngọn lửa diesel cho bởi mô hình và thực nghiệm SO SÁNH BỨC XẠ CỦA BỒ HÓNG TRONG NGỌN LỬA DIESEL CHO BỞI MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM COMPARISON OF SOOT RADIATION IN DIESEL FLAME PRODUCED BY MATHEMATICAL MODEL AND BY EXPERIMENTAL DATA TRẦN VĂN NAM – BÙI VĂN GA Đại học Đà Nẵng NGUYỄN NGỌC LINH SAMCO, Thành phố Hồ Chí Minh TÓM TẮT Mô hình tích phân một chiều được xây dựng để tính toán bức xạ nhiệt của ngọn lửa Diesel cháy ngoài khí quyển và trong buồng cháy động cơ. Trên cơ sở nhiệt độ và nồng độ bồ hóng cho bởi lý thuyết màn lửa mỏng và mô hình tạo bồ hóng của Tesner-Magnussen, bức xạ nhiệt của đám mây bồ hóng tại các vị trí khác nhau trong ngọn lửa được xác định và so sánh với số liệu thực nghiệm cho bởi phương pháp hai bước sóng. ABSTRACT An integral unidirectional model is established to calculate the radiation heat transfer of Diesel flame in open air and in combustion chamber of engine. Based on temperature and soot fraction produced by flamlet theory and soot formation model of Tesner-Magnussen, radiation of soot particulate cloud at different positions of flame is determined and compared with experimental data obtained by two-color method. 1. GIỚI THIỆU Truyền nhiệt bức xạ trong buồng cháy động cơ Diesel được chia thành hai nguồn: nguồn bức xạ của các chất khí và nguồn bức xạ của đám mây bồ hóng, trong đó bức xạ bồ hóng đóng vai trò chủ yếu. Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng hỗn hợp đồng nhất, lượng bồ hóng trong sản phẩm cháy rất thấp nên bức xạ chính từ các chất khí như H 2O, CO2. Khi đó truyền nhiệt bức xạ thường được tính gần đúng khoảng bằng khoảng 10% truyền nhiệt đối lưu. Trong động cơ Diesel, người ta ước tính truyền nhiệt bức xạ trong giai đoạn cháy có thể chiếm đến 40% truyền nhiệt tổng cộng. Giá trị này phụ thuộc vào hình dạng buồng cháy, nhiên liệu sử dụng, chế độ vận hành, vị trí khảo sát... Nguồn bức xạ chính là bồ hóng hình thành trong giai đoạn cháy khuếch tán tại những khu vực có nhiệt độ cao và giàu nhiên liệu [5]. Ngoài ra hơi nước, khí carbonic và các chất trung gian khác trong sản phẩm cháy cũng góp phần làm tăng truyền nhiệt bức xạ. Tuy nhiên bức xạ của các chất này chỉ tập trung trong dải bước sóng rất hẹp với cường độ bức xạ rất bé so với cường độ bức xạ của bồ hóng. Thông thường bức xạ bồ hóng chiếm 90% tổng truyền nhiệt bức xạ của khí cháy. Tính toán truyền nhiệt bức xạ từ ngọn lửa khuếch tán đến thành buồng cháy là một vấn đề hết sức phức tạp vì ngoài việc xác định các thông số hình học tương đối giữa vật phát xạ và vật hấp thụ, chúng ta còn phải xác định hệ số bức xạ nhiệt của bồ hóng có mặt trong sản phẩm cháy [8]. Chính vì lẽ đó, trong một số mô hình toán học về quá trình cháy người ta bỏ qua việc tính toán chi tiết truyền nhiệt bức xạ. Phần truyền nhiệt này được ước tính theo hệ số tỉ lệ trên truyền nhiệt tổng cộng. Để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ Diesel hiện đại, người ta phải rút giảm mọi tổn thất nhiệt có thể được, trong đó tổn thất nhiệt do bức xạ chiếm một bộ phận quan trọng. Tính toán chi tiết truyền nhiệt bức xạ từ ngọn lửa khuếch tán ra thành buồng cháy dựa vào hệ số bức xạ của bồ hóng. Hệ số này phụ thuộc vào các đặc trưng của bồ hóng, những đại lượng rất khó xác định bởi các phương pháp đo cổ điển. Blunsdon và đồng sự [1] đã xây dựng mô hình truyền nhiệt bức xạ để bổ sung mô hình động học chất lỏng trong tính toán quá trình cháy động cơ Diesel. Kết quả tính toán cho thấy nhiệt độ cực đại của khu vực cháy đạt khoảng 2800K, nồng độ thể tích bồ hóng cực đại đạt khoảng 7ppm và truyền nhiệt bức xạ cực đại khoảng 450kW/m2. Wiedenhoefer và đồng sự [4] đã thực hiện đo đạt thực nghiệm để kiểm tra mô hình bức xạ của mình. Kết quả cho thấy cường độ bức xạ phụ thuộc và độ xoáy lốc trong buồng cháy và đạt cực đại khoảng 1600kW/m2 ứng với độ xoáy lốc 1,4. Khi không có xoáy lốc trong buồng cháy, kết quả thực nghiệm của Wiedenhoefer phù hợp với kết quả tính toán của Blunsdon (bức xạ cực đại khoảng 450kW/m2). Thông lượng nhiệt tổng cộng cực đại truyền qua thành buồng cháy khoảng 6000kW/m2 theo kết quả đo đạc của Eigimeier và đồng sự [3]. Phối hợp các kết quả trên chúng ta thấy truyền nhiệt bức xạ từ khí cháy ra thành buồng cháy động cơ Diesel chiếm khoảng từ 30 đến 40% truyền nhiệt tổng cộng. Để đơn giản hóa các yếu tố hình học của buồng cháy đến truyền nhiệt bức xạ, trong nghiên cứu này, chúng tôi tính toán thông lượng nhiệt bức xạ tổng quát truyền từ ngọn lửa đến thành buồng cháy theo biểu thức gần đúng sau đây:   1  Tk   Tw   4 4 q kw   k w Co      (1) 2  100   100   Thông thường nhiệt độ thành buồng cháy của động cơ luôn được giữ ổn định nhờ hệ thống làm mát bằng nước nên có thể xem như nhiệt độ thành buồng cháy ổn định khoảng Tw700K, nhiệt độ khí cháy bức xạ trong động cơ Diesel từ Tk1800-2600K, Co=5,67, buồng cháy động cơ được xem như vật xám có w  0,82. Vấn đề còn lại là xác định hệ số bức xạ của bồ hóng. Trong những năm gần đây, người ta đã xây dựng các mô hình toán học để dự đoán các thông số đặc trưng của bồ hóng. Các mô hình tạo bồ hóng đơn giản, một chiều đã được thiết lập để tính toán ngọn lửa cháy bên ngoài khí quyển và bên trong buồng cháy động cơ [5]. Các mô hình đa phương phức tạp hơn đã được xây dựng trong các phần mềm động học chất lỏng như KIVA III, FIRES, FLUENT... Các phần mềm này dù đơn giản hay phức tạp cũng đều dựa trên lý thuyết tạo bồ hóng nền tảng, trong đó lý thuyết Tesner-Magnussen đượ ...