Методология проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов (23.08.2010)

Автор: Куценко Юрий Геннадьевич

Для описания процесса горения авиационного керосина использовалась модель суррогатного топлива. Суррогатное топливо состоит из одного или нескольких компонентов, представляющих керосин. В качестве «молекулы» керосина в данной работе применялся C12H23. Кинетический механизм для C12H23 включает в себя две стадии распада топлива и делает акцент на более стабильные промежуточные компоненты второй стадии, в которой реагируют более простые углеводороды:

На третьей стадии доминируют реакции рекомбинации и превращения СО в СО2. Кинетический механизм состоит из 26 реакций и 18 компонентов смеси, участвующих в этих реакциях.

В качестве альтернативного подхода, для описания горения керосина использовались следующие механизмы окисления n-гептана:

Механизм окисления n-гептана, состоящий из 20 компонентов и 42 обратимых реакций;

Детальный механизм окисления n-гептана: 41 компонент и 175 обратимых реакций.

Выбор n-гептана в качестве углеводорода заменяющего авиационный керосин оправдывается тем, что хотя он и является более легким (молекулярный вес С7H16 равен 100,198 против 167,315 у «молекулы» керосина), стехиометрический коэффициент n-гептана равный 15,4 близок к керосину – 14,8.

Основными критериями выбора механизмов для расчета камер сгорания в данной работе являлись:

Корректное предсказание тепловыделения вследствие горения или средней температуры на выходе из камеры сгорания;

Корректное предсказание концентрации свободного кислорода в зоне горения, участвующего в реакции образования оксида азота.

Моделирование процесса сажеобразования, проводилось для учета радиационных свойств при сжигании углеводородного топлива. Механизм образования прекурсоров сажи состоит из серии элементарных реакций, приводящих к образованию из ацетилена и водорода ароматического кольца Аi:

Механизм образования прекурсоров сажи ограничивается описанием образования A4. Образование сажи происходит через процесс «графитизации»:

В разделе 2.7 дано описание математических моделей, применяемых для моделирования турбулентного горения. Для описания процесса турбулентного горения применялись модели тонкого фронта пламени для диффузионного горения (Flamelet) и горения частично перемешанной смеси (Flamefront или Flamelet-BVM). В общем виде система уравнений модели тонкого фронта пламени имеет вид:

Для моделирования процесса турбулентного горения в рамках Flamelet модели (диффузионное горение) решаются дифференциальные уравнения (1,2). Для Flamefront модели горения, применяемой для описания диффузионного и гомогенного горения, проводится решение дополнительного уравнения (4).

с использованием функции плотности распределения вероятности.

В рамках данной модели турбулентное пламя представляется как ансамбль локальных одномерных элементов пламени, которые искривлены и растянуты турбулентным полем течения. Предполагается, что эти элементы пламени сохраняют свою одномерную структуру. Таким образом, в рамках данной модели вводятся специфические предположения о локальной структуре пламени, которые упрощают моделирование турбулентного горения. Структура элементов пламени изменяется под действием турбулентного поля течения (параметра () и описывается системой уравнений Петерса-Кузнецова:

В результате решения системы уравнений (5,6) получаются зависимости типа:

характеризующие термохимическое состояние смеси.

Для расчета скорости распространения фронта турбулентного пламени в частично перемешанной (с зонами диффузионного и гомогенного горения) топливовоздушной смеси использовалась следующая зависимость:

: Талантова, Петерса, Зимонта, Гюлдера, Лю-Циглера-Ленце.

Также в разделе 2.7 дано описание других моделей, применяемых для моделирования процесса турбулентного горения: модели Зимонта, разновидности класса моделей Flamelet-BVM, модели распада турбулентного вихря (Eddy Dissipation Model) и ее развития – модели Eddy Dissipation Concept.

В разделе 2.8 приведено описание моделей радиационного теплообмена, применяемых в данной работе – диффузионной и метода дискретных ординат.

Радиационные свойства среды рассчитываются с использованием экспоненциальной модели широкой полосы, в рамках которой коэффициент поглощения представим в виде:

где Yi – массовая доля компонента смеси, L – путь луча в среде, ? – длина волны. Осредненный по Планку коэффициент поглощения имеет вид:

Осредненный по Планку коэффициент поглощения сажи представим в виде:

d0=-0,253475*104, d1=0,272464*103, d2=-0,928538*10-2, d3=0,123273*10-5.

Вопросы, касающиеся моделирования процесса образования оксида азота рассматриваются в разделе 2.9. Механизм Зельдовича – основной источник оксида азота при протекании процесса горения с температурой выше 1800 К. NO формируется вследствие комбинации атомов O и N, которые образуются при высоких температурах. Основными реакциями, приводящими к образованию «термических» NO из атмосферного азота являются цепные неразветвленные реакции:

В условиях близких стехиометрическим и в умеренно богатых топливно-воздушных смесях определенный вклад в образование NO вносит реакция:

Рассматриваются методы расчета концентрации O и OH с использованием допущений о равновесности или частичном равновесии реакций их образования. Дан обзор механизма образования «быстрых» NO, которые формируются в значительном количестве при низких температурах в богатой топливо-воздушной смеси посредством реакций:

Рассмотрен механизм «дожигания» NO – реакции, посредством которых NO реагирует с углеводородами:

Основными реакциями, определяющими концентрацию диоксида азота NO2, являются:

скорость которых относительно высока при низких температурах. Очевидно, что NO2 является вторичным компонентом, зависящим от концентрации NO.

Для расчета пространственного распределения концентрации оксида азота в камере сгорания и учета турбулентных пульсаций температуры используется система уравнений переноса для скаляра NO и вариации температуры. Для определения осредненной скорости реакции образования NO применяется осреднение мгновенной скорости реакции с использованием (-функции плотности распределения вероятности.

В третьей главе приведены результаты верификации математических моделей физико-химических процессов, протекающих в камере сгорания ГТД.

В разделе 3.1 описываются результаты моделирования структуры потока в горелочном модуле с использованием моделей турбулентности k-(, k-( RNG, k-?, k-? BSL, k-? SST, алгебраической модель рейнольдсовых напряжений основанная на k- ? BSL модели (ASM модель). Получено, что наилучшее совпадение с данными эксперимента по уровню максимальной осевой скорости, углу раскрытия потока и продольному размеру возвратной зоны (основные критерии сильнозакрученных потоков) дает ASM модель. k-( RNG модель турбулентности предсказывает несколько меньший угол раскрытия потока, но также хорошо соответствует эксперименту по уровню максимальной осевой скорости и продольному размеру возвратной зоны.

В разделе 3.2 описываются результаты моделирования структуры потока турбулентного газа в камере сгорания. Для проведения расчетов был выбран сектор камеры сгорания авиационного двигателя в 300. Расчетная область включала в себя диффузор, завихритель, жаровую трубу, внутренние и внешние кольцевые каналы, газосборник (рис. 1) Размер расчетной сетки составил 2,5 млн. узлов. Газодинамические расчеты были проведены на 5 режимах, соответствующих условиям испытаний полноразмерной камеры сгорания (ПКС). При проведении расчетов выдерживалось значение приведенной скорости ( на входе в камеру сгорания в соответствии с данными эксперимента. Расчет дает значение потерь полного давления в камере сгорания близкое к данными эксперимента – превышение составляет от 13% при (расч=0,3489 до 15% при (расч=0,2307 от общего уровня потерь полного давления. Получено хорошее соответствие с данными эксперимента по структуре потока внутри камеры сгорания – осевой составляющей скорости на выходе из диффузора и внутри жаровой трубы.

=1,361 хорошо согласуются с экспериментальным значением 1,318. Определяющим фактором, влияющим на профиль температуры на выходе из камеры сгорания, является организация процесса смешения горячего и холодного воздуха в зоне основных отверстий второго ряда жаровой трубы камеры.

В главе 4 описывается методология моделирования физико-химических процессов в камере сгорания для расчета уровня эмиссии оксида азота.

В разделах 4.1, 4.2 приводится описание методологии моделирования физико-химических процессов в камере сгорания для расчета уровня эмиссии оксида азота. Рассматривается проблема выбора математических моделей. Несмотря на то, что методология основана на использовании коммерческого газодинамического пакета проведен большой объем работ по настройке математических моделей пакета и созданию дополнительных программ и подпрограмм, необходимых для расчета уровня эмиссии оксида азота. Методология расчета состоит из 2 основных шагов: препроцессирования и непосредственно расчета в газодинамическом пакете. Общая схема методологии проведения расчетов представлена на рис. 2.

Необходимым фактором для проведения расчетов является наличие детального кинетического механизма для процедуры препроцессирования. Кинетический механизм должен достаточно точно описывать процесс окисления топлива для получения корректных уровней температуры и концентрации атомарного кислорода, необходимых для моделирования процесса образования оксида азота. При моделировании процесса горения керосина механизм должен быть дополнен реакциями образования сажи. Расчет концентрации сажи необходим для определения радиационных свойств среды.

На этапе препроцессирования используются дополнительные программы, специально разработанные автором для:


загрузка...