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

Автор: Куценко Юрий Геннадьевич

при определенных значениях начальной температуры смеси и давления – «флеймфронт» библиотеки.

при определенном значении давления.

Данные, полученные на этапе препроцессирования, используются на этапе расчета пакетом программ CFX-TASCflow посредством:

Файлов с «флеймлет» и «флеймфронт» библиотеками;

Модифицированных подпрограмм для расчета радиационных свойств среды.

На втором этапе проводится расчет в пакете CFX-TASCflow с использованием:

Уравнений Навье-Стокса;

k-( RNG или k-( RSM модели турбулентности;

Модели распространения и испарения капель топлива;

Модели тонкого фронта пламени – Flamelet или Flamefront;

Диффузионной модели радиационного теплообмена или метода дискретных ординат;

«Термического» механизма образования NO.

Рекомендации по использованию математических моделей выработаны путем сравнения результатов расчетов с экспериментом. В итоге после прохождения всех этапов данной методики может быть получена информация о поле течения, температуре, зонах образования и уровне эмиссии оксида азота для рассматриваемой камеры сгорания.

В разделе 4.3 приводится описание этапа расчета в пакете CFX-TASCflow. Для тестирования математических моделей в рамках рассматриваемой методики использовались модели камер сгорания авиационных двигателей (№№ 1, 2) и камеры сгорания двигателя ГТУ (№ 3) Даны граничные условия и результаты расчетов уровня эмиссии оксида азота. Уровень эмиссии NO достаточно точно определен для камеры сгорания № 1 и для режимов работы камеры сгорания № 2, характеризующихся высокими значениями давления на входе – больше или равным 17 атм. и коэффициентом избытка воздуха ((3. Разница между расчетными и экспериментальными данными не превышает 10%. Однако, с уменьшением давления и увеличением коэффициента избытка воздуха ( расчетов снижается.

В разделе 4.3.2 проведен анализ вклада механизмов образования оксида азота в общий уровень эмиссии. Проведена оценка влияния выбора модели турбулентности на скорость образования NO.

«Быстрые» NO образуются в первичной зоне камеры сгорания посредством реакций N2 c углеводородными радикалами. При анализе результатов расчетов было выявлено, что доля «быстрых» NO, образующихся в камерах сгорания ГТД незначительна и составляет от 0,1 до 0,2 %. Также невелико влияние на общий уровень выбросов оксида азота механизма «дожигания» – изменение в концентрации NO не превышает 0,2%

Образование «термических» NO происходит вблизи поверхности стехиометрии – в зоне высоких температур при наличии достаточного количества атомарного кислорода. Вклад реакции 3 механизма Зельдовича – образования оксида азота с участием радикала OH невелик и составляет от 0,59 до 3,17% от общего выхода NO в зависимости от режима работы камеры сгорания № 3.

Представлены результаты расчетов уровня эмиссии NO при использовании допущений о химическом равновесии атомарного кислорода, частичном равновесии реакции диссоциации-рекомбинации O2 и с использованием концентрации, рассчитанной по Flamelet модели. Наиболее хорошее совпадение с экспериментальными данными наблюдается при использовании в расчете значения концентрации атомарного кислорода, полученной в рамках Flamelet модели горения – от 93,3% до 99,0% (эксперимент –100%). Расчет уровня эмиссии NO c использованием равновесной концентрации О и допущения о частичном равновесии реакции диссоциации-рекомбинации О2 дает превышение экспериментального уровня в 2-4 раза (рис. 3). Расчет без осреднения скорости реакции по температуре с использованием ?-функции плотности распределения вероятности приводит к получению почти в 2 раза заниженных концентраций оксида азота на выходе из камеры сгорания.

= 490480 Па наиболее хорошо предсказывается с использованием k-( RSM модели турбулентности. На этом режиме важно правильно предсказать турбулентные пульсации, вызванные нестабильностью горения бедной ТВС.

На рис. 4 и 5 представлено сравнение данных эксперимента с результатами расчетов, проведенных для камер сгорания № 3 и № 1 с использованием k-( RNG, k-( RSM и k-? SST моделей турбулентности. На «высоких» режимах наблюдается хорошее совпадение – отличие не превышает 8% для всех моделей турбулентности. В случае камеры сгорания № 1 наилучшее совпадение дает k-( RNG модель турбулентности – погрешность не превышает 9% для всех режимов работы двигателя.

В разделе 4.3.3 дано обоснование выбора модели тонкого пламени (Flamelet или Flamefront) для описания процесса горения в камере сгорания. Причины выбора этой модели обусловлены тем, что вследствие учета детальной кинетики реакций достаточно точно предсказываются:

уровень температуры в околостехиометрической зоне горения;

концентрации радикалов O, OH, образующихся на ранних стадиях процесса горения.

Ограничения Flamelet модели горения не позволяют смоделировать процесс горения заранее перемешанной смеси, поэтому для этих целей следует применять Flamefront модель горения. Она может быть использована для описания горения полностью и частично перемешанной ТВС. Flamefront модель была применена для моделирования диффузионного горения (в камере сгорания № 3), а также смешанного – диффузионного и гомогенного режима горения в двухзонной камере сгорания.

=720 К, (=2,51. Это приводит к пониженному расчетному уровню NO на высоких режимах и заниженному значению температуры на выходе из камеры сгорания на низких режимах. Очевидно, данные несоответствия связаны с ограничениями Flamefront модели. Внутри первичной зоны и зоны разбавления скорость распространения фронта ламинарного пламени близка к нулю. Внутри этих зон механизм стабилизации пламени не может быть смоделирован с использованием Flamefront модели и зависимостей. Результаты расчетов показали, что Flamefront модель с использованием формулы Лю-Циглера-Ленце может быть применена для расчета уровня эмиссии NO двухзонной камеры сгорания (точность от 1% до 25% в зависимости от ? первичной зоны.

В разделе 4.3.4 приведена оценка влияния модели радиационного теплообмена на предсказание уровня эмиссии оксида азота. Отсутствие учета радиационного теплообмена приводит к превышению экспериментальных данных для режима испытаний камеры сгорания № 3 с Pк=20 атм. почти на 75% (рис. 6). Для моделирования радиационного теплообмена предпочтительней использовать метод дискретных ординат. Процесс радиационного теплообмена влияет на эмиссию NO путем уменьшения температуры стехиометрических зон и изменения состава продуктов сгорания из-за оттока тепла из зоны горения. Причем изменение состава продуктов сгорания оказывает наибольшее влияние на уровень эмиссии оксида азота. Также заметное влияние на уровень эмиссии NO при использовании в качестве топлива керосина оказывает излучение сажи, образующейся в богатой первичной зоне. Вследствие излучения и поглощения сажи происходит перераспределение радиационных тепловых потоков и понижение температуры околостехиометрических зон камеры сгорания. Так, при расчете камеры сгорания № 1, отсутствие учета теплообмена при наличии сажи приводит к получению уровня эмиссии NO, завышенному в 2 раза по сравнению с экспериментом.

В разделе 4.3.5 рассматривается проблема выбора кинетических механизмов для предсказания уровня эмиссии оксида азота. Для моделирования процесса окисления метана в данной работе использовались следующие кинетические механизмы:

Механизм KEE: 18 компонентов и 58 реакций;

Механизм SMOOKE: 16 компонентов и 46 реакций;

GRI-MECH 3.0: 53 компонента и 325 реакций.

??????????V

?????????????

????????? ?????????Ћ

???????

& показывают примерно одинаковые результаты. Разница между расчетными и экспериментальными данными для этих механизмов достигает 30% для режима с Pк=20 атм. Снижение количества образующегося оксида азота происходит за счет уменьшения концентрации свободного кислорода, а также небольшого изменения температуры околостехиометрических зон.

На рис. 8 показаны результаты расчетов камеры сгорания № 1, полученные при использовании кинетических механизмов окисления n-гептана и условной «молекулы» керосина:

C7H16 «малый» – механизм окисления n-гептана; 20 компонентов и 42 реакции;

C7H16 «детальный» – детальный механизм окисления n-гептана; 41 компонент и 175 реакций.

C12H23 – механизм окисления «молекулы керосина»; 18 компонентов и 26 реакций.

Наилучшее совпадение результатов расчета с данными эксперимента получено при использовании кинетического механизма C7H16 «детальный» с учетом процесса радиационного теплообмена. Несоответствие между данными расчета и эксперимента не превышает 10%.


загрузка...