Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Badanie wpływu braku kontaktu rury z ożebrowaniem na proces wymiany ciepła w wymienniku lamelowym

Andrzejewski D., Łęcki M., Gutkowski A.

Zeszyty Naukowe. Cieplne Maszyny Przepływowe - Turbomachinery / Politechnika Łódzka

|

2016

|

nr 150

11--24

PL

W artykule przedstawiono wpływ miejscowego braku kontaktu żebra z rurą na wymianę ciepła w wymienniku lamelowym. Badania polegały na wprowadzeniu szczeliny, która powoduje pogorszenie wymiany ciepła. Symulacje numeryczne przeprowadzono w kodzie Ansys Fluent oparciu o model turbulencji SST. W artykule są prezentowane rozkłady temperatur oraz pola prędkości dla badanych przypadków Zgodnie z wynikami symulacji stwierdza się, że brak całkowitego kontaktu oraz jego lokalizacja ma istotny wpływ na wymianę ciepła. Najgorzej wypada przypadek ze szczeliną z przodu. Ponadto przedstawiono wyniki liczbowe dla strumienia ciepła w zależności od liczby Reynoldsa. Liczba Re dla badanych przypadków wynosiła 800 ÷ 4073. Strumień ciepła zawierał się w zakresie 0,32 ÷ 0,68 W.

EN

The article presents the impact of the lack of contact of fins with tubes in the lamellar heat exchanger. The study involved the modeling of the gap, which deteriorates heat transfer process. Numerical simulations were performed in the Ansys Fluent code, with the use of SST turbulence model. According to the results of simulations, it is concluded that the lack of complete contact and its location has a significant effect on heat transfer. The worst case is the option with gap in the front of the tube. In the article, for the tested cases, temperature distribution and velocity field are presented. In addition, the numerical results of heat transfer rate vs Reynolds number are showed. Re for the cases studied was in the range of 800 ÷ 4,073, heat transfer rates were in the range of 0.32 ÷ 0.68 W.

2

Badania rozprzestrzeniania się i gaszenia płomienia podczas spalania mieszanki propanu z powietrzem w wąskich kanałach

Gutkowski A.

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

|

2013

|

Z. 447

1--127

PL

Tematem niniejszej pracy jest swobodna propagacja i gaszenie płomienia laminarnego w wąskich kanałach wypełnionych mieszankami propanu z powietrzem. W pracy przedstawiono najważniejsze modele analityczne określające graniczną temperaturę i graniczną prędkość płomienia poruszającego się w kanale, a także związek odległości gaszącej z grubością płomienia. Opisano najważniejsze czynniki mające wpływ na zachowanie się płomienia, takie jak: rozciąganie płomienia, wpływ liczby Lewisa i uprzywilejowanej dyfuzji. Prace eksperymentalne przeprowadzono w wąskich kanałach o przekroju okrągłym i kwadratowym. Przebadano dwa przypadki rozprzestrzeniania się płomienia laminarnego w mieszankach propanu z powietrzem: zgodnie z kierunkiem działania przyspieszenia ziemskiego oraz - przeciwnie do niego. Pomiary przeprowadzone w mieszance stechiometrycznej pozwoliły ustalić wpływ wymiaru i kształtu kanału na prędkość propagacji, martwą strefę oraz promień krzywizny płomienia. Wyniki pokazały, że kształt kanału, a także kierunek propagacji mają znikomy wpływ na graniczną prędkość propagacji płomienia. Eksperymentalnie i numerycznie określona martwa strefa wskazuje, że dla większych kanałów jest ona prawie stała. Natomiast wzrasta, gdy wymiar kanału jest mniejszy od pewnej krytycznej wartości. Wskazuje to na brak możliwości gaszenia płomienia przez odprowadzenie ciepła do ścianek kanału, jeżeli jego wymiar jest większy od krytycznej wartości. Obliczenia numeryczne propagacji płomienia w wąskich kanałach były przeprowadzone dla dwóch przypadków warunków termicznych na powierzchni ścianki: izotermiczne i adiabatyczne. Dodatkowo sprawdzono dwa rodzaje zapłonu mieszanki: kulisty i płaski. Wszystkie te czynniki mają wpływ na późniejszy kształt płomienia i jego prędkość propagacji. Dla kanałów izotermicznych wyszczególniono trzy przedziały w zależności od kształtu płomienia i wymiaru kanału. Dla najmniejszych średnic płomień przybierał tylko kształt wypukły. Dla większych średnic istnieje przedział, w którym jednocześnie koegzystują kształty wypukły i wklęsły. A po przekroczeniu pewnego wymiaru kanału - występuje tylko struktura wklęsła. Podobne trzy przedziały można wyodrębnić dla kanałów adiabatycznych. Z tym, że dla najmniejszych średnic występuje tylko kształt wklęsły płomienia. Kształty płomieni wypukłych w obu rodzajach kanałów są do siebie podobne. Co za tym idzie, ich prędkości propagacji są także prawie identyczne. Wynika to z faktu, że odpowiednikiem gaszącego oddziaływania ścianki izotermicznej jest minimum szybkości reakcji chemicznej w pobliżu ścianki adiabatycznej, będącej efektem wklęsłego kształtu płomienia w tym miejscu. Kształty płomieni wklęsłych w obu rodzajach kanałów różnią się od siebie w znaczny sposób. Płomienie w kanałach izotermicznych są bardziej płaskie od tych w kanałach adiabatycznych. Z tego powodu ich powierzchnia oraz prędkość propagacji jest także dużo mniejsza. Różnica prędkości rośnie w miarę zwiększania się średnicy kanału. Eksperymentalnie określone średnice i odległości gaszące są funkcjami składu mieszanki. Dla mieszanek ubogich wielkości te nie zależą od kierunku propagacji płomienia. Zgoła odwrotnie wygląda sytuacja dla mieszanek bogatych. Dla Φ > 1,55 płomienie poruszające się w tym samym kanale, ale w przeciwnych kierunkach, są gaszone przy różnych składach mieszanki. Uboga granica dla płomieni poruszających się do dołu (góry) równa się Φ = 0,53 (Φ = 0,57). Natomiast granica bogata dla płomieni poruszających się do dołu (góry) wynosi Φ = 1,64 (Φ = 2,62). Tak szeroki przedział pomiędzy granicami palności dla mieszanek bogatych wynika z uprzywilejowanej dyfuzji substratów, który jest w deficycie - w odpowiedzi na rozciąganie płomienia poruszającego się do góry (dla tych płomieni liczba Le< 1). Analiza rozciągania płomienia będącego efektem krzywizny płomienia wskazuje na jego wpływ na granice gaszenia i prędkość propagacji, ale jednocześnie wyklucza istnienie bezpośredniego jego znaczenia dla samego procesu gaszenia płomienia w wąskim kanale, ponieważ stanowi tylko 30% wartości krytycznej. W pracy porównano także eksperymentalnie określone prędkości propagacji płomienia Sq z granicznymi prędkościami spalania laminarnego Slim wynikającymi z teorii Zeldowicza, a także przeanalizowano czynniki powodujące, że te wielkości nie są sobie równe. Do tych czynników zaliczono: rozciąganie płomienia, uprzywilejowaną dyfuzję, wpływ liczby Lewisa, zwiększoną powierzchnię wypukłego płomienia oraz unoszenie. Ten ostatni mechanizm jest szczególnie ważny dla płomieni poruszających się do góry w mieszankach bogatych, kiedy to w miarę zwiększania Φ zamiast spadku prędkości występuje niewielki jej wzrost. Określona krytyczna liczba Pecleta dla płomieni granicznych jest prawie stała dla składów Φ = 0,64÷1,23 dla kanałów kwadratowych oraz Φ = 0,55÷1,2 dla kanałów okrągłych. W miarę zbliżania się składów mieszanki do granic palności liczba Pecleta rośnie. Obserwacje oraz obliczenia numeryczne płomieni bliskich gaszenia podczas przejścia z większego do mniejszego kanału pokazały, że tuż za przewężeniem płomień jest ekstremalnie słaby. Wyniki symulacji wskazują, że w przypadku gdy średnica mniejszego z kanałów jest bliska średnicy gaszącej, to aby płomień mógł pokonać przewężenie, średnica większego kanału nie może być zbyt duża. W innym przypadku płomień gaśnie podczas tego procesu. Odpowiedzialny za to jest stosunek chwilowych strat ciepła do jego wydzielania. Ma to znaczenie podczas precyzyjnego określania średnicy gaszącej, wykorzystując obserwację płomienia pokonującego przewężenie i, następnie, poruszającego się w wąskich kanałach. Sprawdzono także możliwości wykorzystania jedno-, dwu- i czterostopniowych modeli chemicznych z domyślnymi stałymi postępu reakcji w symulacjach propagacji płomieni w wąskich kanałach.

EN

The subject of the work is related to free propagations and quenching of the laminar flame in small channels with propane-air mixtures. The important analytical models determining limit flame temperatures, limit flame propagation velocities (caused by heat losses to the wall) and relation between quenching distance and flame thickness - are presented. The significant factors affecting flames behavior, i.e. Lewis number, flame stretch, and preferential diffusion effects are described and explained. Reported here own experimental works were conducted using small channels with a circular and square cross-sections. Two cases of the flame propagation directions were examined: with the gravity vector and opposite to it. The measurements allowed determining the effect of the channel width and its shape on flame propagation velocity, dead space and radius of flame curvature in a stoichiometric mixture. The results showed that a channel shape and direction of flame propagation have small influence on the flame propagation velocity under quenching conditions. Experimentally and numerically determined dead space has almost a constant value for wider channels. However, if the channel width is smaller than some critical size - its value increases. It indicates that flames are not extinguished by heat loss to the wall - if channel width is greater then critical one. Numerical calculation of flame propagation in small tubes were conducted for two thermal boundary conditions at the wall: isothermal and adiabatic. Additionally, spherical and plane ignition methods have been examined. Influence of all parameters mentioned, on later flame shapes and their propagation velocities have been checked. For isothermal tubes three flame shape ranges (depending on tube diameters) were specified. For small tubes, flames always have mushroom-shape. For larger tube diameters, mushroom and tulip-shaped flames coexist at the same time. Finally, in big diameter tubes only tulip-shaped flames are present. A similar three ranges can be found for adiabatic tubes. But for the smallest tube diameters, only tulip-shaped flames exist. Mushroom-shaped flames are similar in isothermal and adiabatic tubes therefore their propagation velocities are almost equal. Tulip-shaped flames are different in analyzed tubes: in the isothermal ones they are more flat than these in the adiabatic. For that reason their flame areas and propagation velocities are much lower. Differences between values of flame propagation velocities mentioned increase with respective tube diameters. Experimentally determined quenching diameters and distances depend on the equivalence ratios. For lean mixtures they do not depend on the flame propagation direction. The matter looks quite different for rich mixtures. Flames propagating in the same channel but in the different directions - are quenched for different equivalence ratios (Φ > 1,55). Lean limits of downward (upward) flame propagations are Φ = 0,53 (Φ = 0,57), while the rich ones of downward (upward) flame propagations - Φ = 1,64 (Φ = 2,62). This large gap between flammability limits in rich mixtures - results from preferential diffusion of a deficient reactant (as a response to the flame stretch of upward propagating flame when Le < 1). Analysis of flame stretch, resulting from its curvature, indicates influences on quenching (and flammability) limits and flame propagation velocities. However, it excludes existence of indirect effect on the process flame quenching in the channel, because it reaches only 30 % of the flame quenching critical stretch. Determined flame propagation velocity under quenching conditions Sq has been compared with a theoretical limit flame propagation velocity Slim obtained by Zeldovich. Effects of flame stretch and buoyancy on flame propagation velocity have been analyzed. Especially buoyancy can play an important role for upward propagating flames in rich mixtures. Calculated critical Peclet number is almost constant for limit flames with equivalence ratio Φ = 0,64÷1,23 for channels with square cross-sections and Φ = 0,55÷1,2 for channels with circular cross-sections. The Pe number increases with mixture concentration approaching flammability limits. Observation and numerical calculation showed, that flame being close to quenching condition immediately after passing through the sudden contraction -is extremely weak. The numerical results show that flames can enter small diameter tubes from wider ones and propagate in stable manner in these tubes as long as the diameter of the narrow ones are far from the quenching diameters. Decreasing the diameter of the narrow tube, we approach the conditions in which the dimension of the wide tube determines that the flame will propagate or quench. This is connected with a temporarily increased ratio of heat losses to thermal energy generation - caused by a greater heat loss area. Possibilities of using one-, two- and four step chemical reactions (with default reaction rate constants for simulation of flame propagation in narrow channels) - have been checked.

3

Influence of number of step reactions on flame parameters under quenching conditions

Gutkowski A.

Journal of KONES

|

2011

|

Vol. 18, No. 2

153-159

EN

Last decade, construction and using of microscale gas-turbines and internal combustion engines is collecting growing attention. However, the flame propagation limitations impede the development of micro and mesoscale combustion devices. Due to its small scale, increasing effect of flame-wall interaction causes a large heat loss and in consequence flame quenching. Both, fundamental experimental work and numerical simulations are conducted in order to overcome quenching issues. The most basic analysis concerns flame behaviour in small scale devices are premixed flame propagation in narrow tubes. There are two possibilities of flame-flow configurations: flame moving in a stationary mixture and a stationary flame in mowing mixture. These configurations have influence on flame shape, flame propagation velocity and quenching diameter. Most of numerical investigation assumes single-step reaction. It means that for flames propagating in propane-air mixtures C3H8 reacts directly with oxygen and leads to CO2 and H2O. This chemical kinetics mechanism omits existence of CO in reaction zone and in combustion products. Therefore it is interesting to use two-step reactions mechanism and compare the results with those obtained from single-step reaction model. The purpose of this analysis is to find influence of number of reaction steps on flame behaviour under quenching conditions for flames propagating in stationary lean propane-air mixtures. Quenching diameter, flame propagation velocity are determined and analyzed.

4

Numerical simulations of lean propane-air flames propagating in circular tubes under quenching conditions

Gutkowski A.

Journal of KONES

|

2008

|

Vol. 15, No. 2

117-123

EN

Flame extinction in internal combustion engines can be observed when a flame front enters a small gap between the cylinder and piston or above the piston rings. This phenomenon is caused by the interaction of the flame with the walls. Cooling of the reaction zone by the wall is the reason for the flame extinction. Simplifying the problem to the propagation of a premixed laminar flame in the narrow channels with isothermal wall allowed employing numerical methods to analyze this phenomenon. The aim of this work was to examine flame behavior during its propagation in the narrow circular tube. A numerical analysis of the freely propagating flame was conducted. In this study, the propagation and quenching of a laminar premixed propane/air flame in circular tube was investigated numerically. The flame chemistry is modeled by one-step overall reaction. The considerations are limited to flames propagating downwards in lean propane-air mixtures. Quenching diameter as a function of equivalence ratio was determined. One of the most important flame parameters - flame propagation velocity (under quenching conditions) was compared with adiabatic burning velocity and limit burning velocity predicted by Zeldovich. It was found satisfactory agreement between numerical calculations and theoretical considerations. Numerical results show also that there is a close dependence between preheat zone and dead space for flames propagating in a wider tube.

5

Flame quenching by the wall-fundamental characteristics

Gutkowski A., Tecce L., Jarosiński J.

Journal of KONES

|

2007

|

Vol. 14, No. 3

203-210

EN

Knowledge of flame-wall interaction allowed us to understand the phenomena of near wall combustion and flame extinction. The study of near wall flame propagation is important because it is related to engineering applications, such as possible misfiring in internal combustion engines, optimization of combustion, and reduction of unburned hydrocarbons in the combustion products. In the present work different characteristics of the quenching distance were measured in square narrow quenching channels. The channel widths were changed from 2.5mm to 15mm, their length being 30cm. Propane/air mixture was employed in experiments. Direct visualization has been used to observe flame behaviour under quenching conditions. Numerical simulation revealed structure of limit flames during their propagation in quenching channels. It was found satisfactory agreement between numerical calculations and experiments. In conclusions it was confirmed that flame quenching depends on the relation between heat release rate to heat loss rate. Dead space appeared to be larger for rich mixtures in comparison with the lean ones. Flame curvature reached maximum value for stoichiometry and decreased for leaner or richer mixtures.

6

Laminar burning velocity under quenching conditions for propane-air and ethylene-air flames

Gutkowski A.

Archivum Combustionis

|

2006

|

Vol. 26 nr 3-4

163-173

EN

The aim of this study was to examine the influence of walls on laminar burning velocity for flames propagating in propane-air and ethylene-air mixtures near the quenching limit. Experiments were carried out in a narrow wedge-shaped channel and recorded by a camera. Results of measurements of laminar burning velocity under quenching conditions were compared with laminar burning velocity obtained for adiabatic and unstretched flames. It was found that the measured laminar burning velocity is lower than adiabatic laminar burning velocity for lean mixtures. For flames propagating in rich mixtures its value can equal the adiabatic laminar burning velocity. This phenomenon can be explained by the Lewis number effect (Le<1). Additionally, quenching distance for flames propagating in ethylene-air mixtures was determined. These results were used to determine the criticalPeclet number. Values of the number for ethylene-air flames are between Pe=30.2÷ 36.2.

7

Thermal structure of laminar flame

Gutkowski A., Jarosiński J.

Archivum Combustionis

|

2004

|

Vol. 24 nr 3-4

143-154

8

Eksperymentalne określenie niektórych stałych fizycznych płomieni laminarnych

Gutkowski A., Jarosiński J.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Konferencje

|

2002

|

T. 2, z. 22

541-548

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań, których celem było eksperymentalne określenie prędkość spalania laminarnego w warunkach gaszenia płomienia. Podczas badań mierzona była prędkość płomienia rozprzestrzeniającego się w mieszankach propanu z powietrzem, podczas chłodzącego oddziaływania ścianek kanału. Następnie otrzymane prędkości porównano z prędkościami spalania adiabatycznego. Otrzymane wyniki zostały przeanalizowane w oparciu o zjawiska rozciągania płomienia i uprzywilejowanej dyfuzji.

EN

Experimental determination of flame propagation velocity at the quenching channels near quenching conditions was the main objective of the reported work. The results of measurements were compared with laminar burning velocity determined under not stretched adiabatic conditions. Discussion of the results idicated the role of flame stretch and preferential diffusion in the mechanism of flame propagation.