Введение. В Российской Федерации основным видом топлива является природный газ, который занимает первое место в топливно-энергетическом балансе страны. Доля природного газа составляет 40 % в балансе источников энергии РФ [1]. Большая часть потребляемого в РФ природного газа (58,3 %) используется коммунально-бытовыми и промышленными потребителями. Уровень газификации страны составляет 68,1 %, из них 71,4 % в городах и 58,7 % в сельской местности [2]. Несмотря на высокий уровень газификации страны, системы газоснабжения и газораспределения продолжают активно развиваться. Основные направления развития системы газоснабжения России заключаются в модернизации существующих систем газораспределения и использовании альтернативных источников энергии (сжиженного природного газа, компримированного природного газа и сжиженного углеводородного газа) [3]. Одним их перспективных направлений развития систем газоснабжения является развитие систем газопотребления, заключающееся в повышении эффективности процесса горения и разработке высокоэффективного газоиспользующего оборудования, основным элементом которого является горелочное устройство. В настоящее время разработка газогорелочных устройств осуществляется в следующих направлениях: использование современных материалов; применение устройств, улучшающих образование газовоздушной смеси и применение элементов, обеспечивающих предварительный нагрев газовоздушной смеси в корпусе горелки [4–8].Горение газообразного топлива включает следующие стадии: смешение газа с воздухом, подогрев газовоздушной смеси, термическое разложение горючих газов, воспламенение и химическое соединение горючего с кислородом воздуха [9–11]. Смешение газа с воздухом и подогрев газовоздушной смеси являются начальными этапами процесса горения и оказывают значительное влияние на эффективность процесса горения и тепловую мощность газового оборудования. Следовательно, актуальным является разработка конструкции инжекционной горелки низкого давления, оснащенной тепловым рассекателем и исследование процесса образования и распределения газовоздушной смеси в корпусе горелки и на выходе из огневых отверстий. Методы, оборудование, материалы. Для описания движения газовоздушной смеси в корпусе горелки будем использовать уравнения неразрывности и Навье–Стокса, осредненные по времени (уравнения Рейнольдса):                             (1)        (2)где i,j=1,2,3; u1=ux; u2=uy; u3=uz  – осредненные по времени проекции вектора скорости; P – осредненное значение давления; Πij – тензор турбулентных напряжений.Тензор турбулентных напряжений, возникающих в газовоздушном потоке определяется выражением: ,                    (3)где ui’, uj’ – турбулентные пульсации проекций скорости газовоздушной среды, <…> – знак осреднения.Учитывая вихревой режим движения газовоздушной среды в корпусе горелки и на выходе из огневых отверстий, принимаем k-ε модель турбулентности.Тензор турбулентных напряжений k-ε модели определяется выражением: ,     (4)где к – турбулентная кинетическая энергия; ε – скорость диссипации турбулентной энергии; vt – коэффициент кинетической турбулентной вязкости; δij – символ Кронекера.Для исследования процесса образования газовоздушной среды в корпусе горелки разработанной конструкции будем использовать программный комплекс моделирования Solid Works Flow Simulation. Методы компьютерного моделирования получили широкое применение для исследования процесса горения газообразного топлива [12–15].Результаты и обсуждение. Разработана конструкция инжекционной горелки низкого давления, оснащенная тепловым рассекателем (рис. 1). Основными элементами газовой горелки являются: сопло, камера смешения, отверстия выхода газовоздушной смеси, тепловой рассекатель и регулятор подачи первичного воздуха.Новизна данной конструкции заключается в использовании теплового рассекателя конической формы, при этом присоединение рассекателя к крышке горелки выполняется под плавным углом с радиусом изгиба равным длине рассекателя. Это способствует стабилизации потоков газовоздушной смеси в корпусе горелки и приводит к снижению потерь давления. Применение рассекателя оригинальной формы обеспечивает предварительный подогрев газовоздушной смеси за счёт процесса теплопередачи от пламени через рассекатель к газовоздушной смеси. В работе [16] авторами установлено, что предварительный подогрев газовоздушной смеси позволяет повысить скорость распространения пламени и температуру горения.Рис. 1. Модель инжекционной горелки с тепловым рассекателем: 1 – сопло; 2 – корпус горелки;3 – камера смешения; 4 – тепловой рассекатель;5 – крышка горелки; 6 – огневые отверстия;7 – регулятор подачи первичного воздухаВ результате компьютерного моделирования были получены визуальные картины распределения концентрации метана и скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки и на выходе из огневых отверстий. При этом замеры концентраций и скорости газовоздушной смеси производились на 7 разных участках горелки (рис. 2).Результаты моделирования распределения скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки представлены на рис. 3. а                                                  б                                             вРис. 2. Точки измерений концентраций и скорости газовоздушной смеси: а – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм  а                                              б                                             в     Рис. 3. Распределение скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки: а – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм Из рис. 3 видно, что скорости газа в центральной части корпуса (точка 1) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм имеют похожие значения – 14,15 м/с и 14,18 м/с соответственно. А в горелке с рассекателем L=25,5 мм скорость значительно возрастает (20,82 м/с).Скорость газа в точках 5 и 6 в горелке без рассекателя составляет 3,10 м/с, в горелке с рассекателем L=11 мм скорость снижается до 2,54 м/с. А в горелке с рассекателем L= 25,5 мм скорость возрастает до 3,45 м/с.Результаты моделирования распределения скорости газовоздушной смеси в огневых отверстиях представлены на рис. 4.а                                                            б                                             в      Рис. 4. Распределение скорости газовоздушной смеси в отверстиях: a – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 ммИз рисунка 4 видно, что скорости газовоздушной смеси на выходе из огневых отверстий (точки 2, 3) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм имеют похожие значения – 3,617 м/с и 3,620 м/с соответственно. При этом скорость смеси в горелке с рассекателем L=25,5 мм повышается до 6,710 м/с.Скорости газовоздушной смеси на некотором расстоянии от огневых отверстий (точка 7) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм также имеют похожие значения – 2,828 м/с и 2,834 м/с соответственно. Скорость смеси в горелке с рассекателем L=25,5 мм также повышается (5,580 м/с).Увеличение скорости газовоздушной смеси в корпусе горелки с рассекателем L= 25,5 объясняется тем, что вершина рассекателя расположена в камере смешения, вследствие чего уменьшается площадь поперечного сечения камеры смешения. Уменьшение площади поперечного сечения при неизменном расходе приводит к увеличению скорости потока. Таким образом, установка рассекателя длиною L=11 мм в корпусе горелки не оказывает влияния на скорость газовоздушной смеси в корпусе горелки и в огневых отверстиях.Результаты моделирования распределения концентраций метана в корпусе горелки представлены на рис. 5.Из рисунка 5 видно, что концентрации метана в центральной части корпуса (точка 1) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм имеют одинаковые значения – 26,5 %, а в горелке с рассекателем L=25,5 мм концентрация метана возрастает до 31,2 %.Концентрация метана в точках 5, 6 в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателемL=11 мм имеют практически одинаковые значения – 21,6 % и 21,7 % соответственно. А в горелке с рассекателем L=25,5 мм концентрация метана незначительно повышается до 22,1 %.Результаты моделирования распределения концентрации метана в огневых отверстиях представлены на рис. 6.а                                                   б                                                          в    Рис. 5. Распределение концентрации метана в корпусе горелки: a – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм а                                      б                                             в    Рис. 6. Распределение концентрации метана в огневых отверстиях: a – без теплового рассекателя; б – с тепловым рассекателем L= 11 мм; в – с тепловым рассекателем L=25,5 мм Из рисунка 6 видно, что концентрации метана на выходе из огневых отверстий (точки 2, 3) в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем L=11 мм имеют похожие значения – 20,5 % и 20,7 % соответственно. При этом концентрация метана в горелке с рассекателем L=25,5 мм незначительно повышается до 21 %.Концентрация метана на некотором расстоянии от огневых отверстий (точка 7) в горелке без рассекателя составляет 17,4 %. В горелке с рассекателем L=11 мм концентрация повышается до 17,8 %, а в горелке с рассекателем L=25,5 мм повышается до 20,2 %.Повышение концентрации метана в горелках с рассекателями обусловлено повышением скорости потока газа, вследствие чего уменьшается количество первичного воздуха.Выводы. Разработана конструкция инжекционной горелки низкого давления, оснащенной тепловым рассекателем в форме конуса. Применение рассекателя оригинальной формы обеспечивает предварительный подогрев газовоздушной смеси и позволяет повысить скорость распространения пламени и температуру горения Проведены исследования процесса образования газовоздушной смеси в корпусе горелки для 3 конструкций горелок: без рассекателя, с рассекателем длиною 11 мм и рассекателем длиною 25,5 мм.В результате моделирования установлено, что концентрация метана и скорость газовоздушной смеси в горелке без рассекателя и в горелке с рассекателем длиною 11 мм имеют похожие значения. Увеличение длины рассекателя до L= 25,5 мм приводит к уменьшению площади поперечного сечения камеры смешения, вследствие чего повышается скорость газовоздушной смеси и увеличивается концентрация метана. Увеличение скорости газовоздушной смеси может привести к нарушению процесса горения и отрыву пламени.Можно сделать вывод, что оптимальным решением повышения эффективности и стабильности процесса сжигания газа является установка в корпусе горелки рассекателя длиною 11 мм. Это позволяет повысить скорость распространения пламени и тепловую мощность горелки.Источник финансирования. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00351.