Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 26
Глава 2. Описание стенда, системы измерения и оборудования..43
Глава 3. Исследуемые фронтовые устройства 48
Глава 4. Результаты экспериментов 53
4.1. Анализ и сравнение экспериментальных данных 56
Глава 5. Расчет течения за фронтовым устройством № 2 и сравнение с полученными экспериментальными данными ...62
5.1. Математическая модель реагирующей газокапельной смеси ..63
5.1.1. Модель, используемая для расчета газовой фазы 63
5.1.2. Расчет термодинамических и теплофизических свойств 67
5.1.3. Модель сопротивления и тепломассообмена капель 70
5.1.4. Кинетическая модель окисления керосина 71
5.2. Примеры расчетов 72
5 2.1. Стабилизация пламени в предварительно перемешанной смеси 72
5.2.2. Расчет модельной камеры сгорания с фронтовым устройством 72
Выводы 82
Приложение 83
Список литературы 107
- Анализ и сравнение экспериментальных данных
- Математическая модель реагирующей газокапельной смеси
- Расчет термодинамических и теплофизических свойств
- Стабилизация пламени в предварительно перемешанной смеси
Введение к работе
Газотурбинный двигатель (ГТД), как и любая система, использующая энергию окисления углеводородного топлива, выбрасывает в атмосферу продукты этого процесса, которые изменяют естественный состав атмосферы, и поэтому могут рассматриваться, как загрязнители. Следовательно, авиация, несомненно, - источник загрязнения атмосферы, и вопрос заключается лишь в том, насколько эти загрязнения значительны.
Продукты горения керосина, помимо продуктов, не относящихся к загрязнителям - двуокись углерода, пары воды, а также некоторые другие естественные компонентов атмосферного воздуха, - содержат окись углерода, различные углеводороды (метан СН4, ацетилен СгЯб, этан CjH^ пропан СзНа, бензол СбНь толуол СвНбСНз и др.), альдегиды (формальдегид НСНО, акролеин СНг-СН - СНО, уксусный альдегид СНзСНО и др.), окислы азота (в основном N0 и NO2), окислы серы, твердые частицы (например, частицы сажи, создающие дымный шлейф за соплом двигателя) и ряд других составляющих, образующихся в незначительных количествах из имеющихся в керосине примесей. Самолеты выбрасывают в атмосферу и исходное топливо. Это происходит не только в аварийных ситуациях, но и в ходе нормальной эксплуатации при продувке или опорожнении дренажных емкостей после неудачного запуска двигателя перед, началом полета и после выключения двигателя по окончании полета.
В авиации нормы предельно допустимых выбросов (ПДВ) устанавливаются в настоящие время на четыре вредных компонента: окись углерода СО, несгоревшие углеводороды С„Нт, окислы азота NOx, частицы сажи (дым). Кроме того, запрещается преднамеренный выброс в атмосферу топлива.
В течение последних лет непрерывно продолжался процесс совершенствования камер сгорания. Тот факт, что многие камеры сгорания газотурбинных двигателей, находящиеся сейчас в эксплуатации, сходны по
размерам, форме и общему виду с теми, которые разрабатывались много лет назад, не следует рассматривать как свидетельство недостаточного прогресса в этой области. Близкое внешнее сходство камер сгорания ГТД различных поколений обусловлено, в основном, требованием, чтобы их габариты - длина и площадь поперечного сечения - укладывались в заданные пределы, связанные с размерами других основных узлов двигателя, а также требованиями снижения до минимума потерь полного давления в диффузоре, и обеспечения устойчивого горения в широком диапазоне. Несмотря на усложнение условий работы, таких как повышение рабочих давлений, температур и скоростей воздуха на входе, камеры сгорания современных ГТД, по-прежнему, имеют близкую к 100 % полноту сгорания топлива во всем диапазоне рабочих режимов при меньших потерях полного давления, сниженном уровне выброса вредных продуктов сгорания и при ресурсах, превышающих ресурсы многих других узлов двигателя.
При проектировании двигателей боевых летательных аппаратов с момента использования ГТД в авиации проблема выброса загрязняющих веществ в атмосферу, практически, не рассматривалась. Это связанно, прежде всего, с тем, что при проектировании данного типа двигателей в первую очередь ставились задачи получения максимального значения тяги, широкого диапазона высот и скоростей полета, надежности высотного запуска и обеспечения необходимых тактико-технических данных (ТТД) для данного типа летательных аппаратов. В настоящее время проблема вредных выбросов двигателей боевых самолетов приобретает важное значение. С одной стороны, это проблема загрязнения окружающей среды, сходная с проблемой двигателей гражданской авиации (ГА), а с другой стороны - чисто военный аспект этой проблемы.
При современном уровне развития технологий газоанализа время, необходимое для определения химического состава газа, значительно уменьшилось. При полете на больших высотах за самолетом остается спутный
след, концентрация продуктов сгорания в котором в несколько раз превышает нормальную атмосферную. Некоторые из продуктов сгорания обладают способностью вступать в реакцию с кислородом воздуха, а на больших высотах - и с атмосферным озоном, речь идет, в первую очередь, о таком компоненте, как окислы азота (NOx).
Процесс реагирования NOx с кислородом и озоном атмосферы носит цепной характер и, в связи с этим, довольно продолжителен по времени:
02 о 20,
0 + N2+>NO + N, В.1
N + 02
Первая реакция отражает процесс исчезновения озона, а вторая - процесс восстановления окиси азота, благодаря которому молекулы окиси азота могут вновь и вновь вступать в реакцию с молекулами озона.
Используя это, можно создать головку самонаведения, способную определять наибольшую концентрацию NOx или продуктов его реагирования, и по спутному следу произвести захват и обеспечить движение средства поражения по траектории полета самолета, уничтожить его через достаточно длительный промежуток времени после пролета, либо вывести средство поражения на оперативный аэродром или аэродром базирования.
Вследствие этого, объективно существует необходимость разработки камер сгорания для двигателей военной авиации с существенным снижением выбросов в атмосферу, в первую очередь, тех, которые возможно быстро обнаружить, наряду с сохранившимися для двигателей военной авиации требованиями максимальной тяги, широкого диапазона высот и скоростей полета, а также экономичности.
В ГТД процесс горения протекает в несколько стадий (распыление и испарение жидкого топлива, смешение воздуха с испаренным топливом, химическая реакция углеводородов с кислородом). Распыление и испарение применяемых сегодня топлив может быть лимитирующим процессом только
при низких температурах Тк и давлении рк* воздуха, поступающего в камеру сгорания. Так как окислы азота образуются в заметных количествах только на режимах с повышенными значениями Тк и рк, то при анализе механизма окисления азота можно пренебречь влиянием процессов распыления и испарения топлива.
Одним из основных требований, предъявляемых к фронтовым устройствам камер сгорания авиационных двигателей, является обеспечение стабилизации пламени в широком диапазоне изменения режимов работы двигателя. Однако, как известно, сжигание гомогенной смеси характеризуется более узким диапазоном устойчивого горения, чем для гетерогенной смеси, что вызывает трудности при обеспечении требуемых срывных характеристик камеры сгорания, особенно на бедных смесях.
На процесс стабилизации горения в камере сгорания влияют три основные группы факторов: конструктивные параметры горелки, конструктивные параметры зоны горения камеры и режимные параметры. Процесс стабилизации осуществляется в камере сгорания в условиях чрезвычайно сложной структуры течения, формирующейся в результате взаимодействия закрученных потоков воздуха, поступающих через фронтовое устройство, поперечных струй вторичного воздуха, тангенциальных струй воздуха, подаваемых через систему охлаждения. Для того чтобы выделить наиболее существенные закономерности, определяющие стабилизацию горения, а следовательно расположение зон с максимальной концентрацией вредных веществ, необходимо проводить исследования в более упрощенных аэродинамических условиях.
Исследование процессов течения и влияния параметров горелки на процесс образования вредных веществ и положение зон с максимальной концентрацией вредных веществ, представляется целесообразным производить на горелках, установленных в свободном пространстве, в отличие от установки горелки в камере сгорания. Существенным вопросом является изучение
структуры горения за горелкой, так как оно оказьгоает определяющее влияние на процесс стабилизации пламени, а следовательно и на процесс формирования зон максимальной концентрации вредных веществ.
Камера сгорания газотурбинного двигателя должна удовлетворять широкому кругу требований, относительная важность которых зависит от типа двигателя. Общими для всех камер сгорания являются следующие требования:
высокая полнота сгорания топлива (топливо должно сгорать так, чтобы вся его химическая энергия превращалась в тепло);
надежный и плавный запуск на земле (особенно при низких температурах окружающей среды), а для авиационных двигателей - и на больших высотах (в случае срыва пламени);
широкие пределы устойчивого горения (пламя не должно погасать в широком диапазоне изменения давления, скорости и коэффициента избытка воздуха);
отсутствие пульсаций давления и других проявлений нестабильности, вызванных процессом горения;
низкие потери полного давления;
выходное поле температуры газа (т.е. степень неравномерности температуры по поперечному сечению камеры) должно удовлетворять условию максимальной долговечности рабочих и сопловых лопаток турбины;
низкий уровень выбросов дыма, несгоревшего топлива и газообразных веществ, загрязняющих атмосферу;
минимальная стоимость конструкции и простота ее обслуживания при эксплуатации;
конфигурация и размеры камеры должны быть совместимы с контуром двигателя;
большой ресурс;
способность работы на различных марках топлива.
В настоящее время при создании высокотемпературных и малотоксичных камер сгорания большое внимание уделяется новым типам фронтовых устройств, обеспечивающих высокоэффективное сжигание топлива при минимальном выбросе вредных веществ в продуктах сгорания. Известно, что для повышения интенсивности и полноты выгорания топлива, снижения нагарообразования, токсичности выхлопных газов и улучшения других рабочих характеристик камеры сгорания целесообразна гомогенизация топливовоздушной смеси и значительное ее обеднение.
Наиболее перспективными с точки зрения использования в авиационных двигателях и имеющие широкое распространение являются фронтовые устройства с вихревыми горелками, в которых осуществляется как подготовка смеси, так и организация процесса стабилизации пламени за ними. Наличие предварительной подготовки смеси и сжигание ее в условиях повышенной турбулентности закрученных струй приводит к уменьшению дымления камеры сгорания ниже границы видимости, а также существенному снижению содержания других вредных веществ в продуктах сгорания.
При значительных различиях конструктивного выполнения общим для целого класса вихревых горелок является использование энергии коаксиальных закрученных воздушных потоков для дробления топлива, перемешивания его с воздухом и стабилизации горения.
Повышение температуры в камерах сгорания приводит к увеличению эмиссии NOx, если технология регулирования этой эмиссии остается на прежнем уровне. В то же время требования, предъявляемые к уровню эмиссии газотурбинных двигателей, особенно в отношении NOx систематически ужесточаются. Поэтому необходимы специальные технологии организации горения в камерах сгорания, которые окажутся эффективными с точки зрения уменьшения эмиссии в условиях высоких температур. Общепризнанно, что при организации горения предварительно перемешанных бедных, однородных смесей появляется потенциальная возможность обеспечить низкий уровень
эмиссии N0X даже при высоких значениях температуры воздуха на входе в камеру. Однако, при очень высокой температуре воздуха на входе предварительная подготовка смеси перед камерой сгорания может привести к самовоспламенению смеси. Этому также способствует повышенное давление.
Основные трудности при создании камер сгорания с малым выбросом вредных веществ связаны с тем обстоятельством, что для снижения выхода СО, СН и NOx необходимо проведение взаимно противоположных мероприятий. Поэтому рациональная конструкция камеры сгорания должна представлять собой некоторый компромисс между требованиями, вытекающими из задачи уменьшения эмиссии этих двух групп загрязняющих компонентов. Это может быть обеспечено за счет совершенствования рабочего процесса первичной зоны и рационального выбора объема жаровой трубы камеры сгорания. Однако для дальнейшего снижения эмиссии вредных веществ необходима разработка камер сгорания более сложной конструкции с увеличением числа зон горения, каждая из которых оптимизируется на определенный режим работы, или регулируемых камер сгорания. Различные варианты таких схем активно разрабатываются в мире в настоящее время.
Процесс горения в традиционной камере сгорания можно условно разделить на три зоны. В первичной зоне горения должны быть созданы условия для стабилизации пламени, а также обеспечено необходимое время пребывания, температура и интенсивность турбулентности, при которых может быть получена достаточно высокая полнота сгорания топлива. Условно определяют две зоны обратных токов.
Крупная зона обратных токов может быть создана с помощью малого числа крупных струй. В такой зоне смешение горючей смеси с продуктами сгорания протекает медленно, вследствие чего относительно невелика и максимальная скорость объемного тепловыделения. Рассматриваемый процесс горения устойчив в широком диапазоне изменения расходов топлива, а также при низких значениях давления в камере.
Мелкие зоны обратных токов могут быть созданы посредствам большого числа мелких струй. Достигаемая в этом случае высокая интенсивность перемешивания приводит к большим скоростям объемного тепловыделения в смесях стехиометрического состава. Однако при этом, по сравнению с зоной обратных токов большого размера, сужается диапазон устойчивого горения и снижается экономичность при низких давлениях. Рассматриваемая система в сочетании с регулированием распределения расхода воздуха весьма перспективна в отношении снижения выбросов вредных веществ.
В любой камере сгорания достаточную по длине область должна занимать промежуточная зона, предназначенная для вьшолнения двух основных функций. На малых высотах полета в промежуточной зоне должно происходить возмещение потерь, связанных с диссоциацией, а также догорание плохо перемешанных переобогащенных топливом газов. Потери из-за диссоциации обусловлены химической нестабильностью продуктов сгорания (двуокиси углерода СО2 и паров воды Н20) при высоких температурах. Если даже предположить, что топливо сгорает полностью, то следует учитывать, что при температурах 2200 - 2400 К в первичной зоне происходит окисление СО до окиси углерода СО?, а также диссоциация кислорода и в меньшей степени NOx. В равновесной стехиометрической смеси при давлении 2 МПа и температуре 2350 К содержится около 1,5 % СО. Если такой диссоциированный горячий газ попадает непосредственно в зону разбавления и будет быстро охлажден большим количеством подмешиваемого к нему воздуха, то состав газа окажется «замороженным» и окись углерода СО покинет камеру с истекающими газами, не успев окислиться до СОг и выделить при этом соответствующее количество тепла. Постепенное снижение температуры газов до некоторого промежуточного уровня, которое достигается добавлением небольших количеств воздуха, позволяет завершить окисление и процесс дожигания несгоревшей части топлива.
На больших высотах полета (т.е. при низком давлении окружающей среды) скорости реакций в первичной зоне становятся меньше и процесс горения не успевает завершиться к моменту выхода газов из первичной зоны. При этом промежуточная зона становится как бы продолжением первичной зоны и позволяет увеличить время пребывания газов при высокой температуре, прежде чем произойдет их охлаждение и возможное замораживание реакций в зоне разбавления.
Уровни концентрации большей части загрязняющих веществ в выхлопе ГТД могут быть непосредственно связаны с распределением температуры и непосредственно со временем пребывания продуктов горения в камере сгорания. Концентрации СО и НУВ максимальны на режимах малого газа и уменьшаются с увеличением тяги двигателя. В противоположность этому выброс окиси азота и дымления несущественен на режимах малого газа и достигает максимума на режимах максимальной тяги. Эти характеристики представлены на рис. 1.
Обычный путь создания камер сгорания - конструирование их на основе предыдущего опыта с учетом рекомендаций теории и с последующей трудоемкой опытной доводкой и совершенствованием. При организации процессов горения в технике наметилась тенденция к увеличению степени однородности смеси. К последнему приводит ряд обстоятельств, главным из которых является необходимость интенсификации процессов горения в потоке.
Возможность камер сгорания работать с наименьшими выбросами окислов азота, окиси углерода, несгоревших углеводородов, дыма и других канцерогенных веществ характеризует ее эмиссионное совершенство. Эффективность сгорания топлива в камере, обычно, определяется
безразмерным параметром 72' тщ>, представляющим собой отношение
времени полного сгорания топлива к времени пребывания газа в камере сгорания. С уменьшением указанного параметра индексы выброса окиси углерода и несгоревших углеводородов снижаются, а индекс выброса окислов
азота наоборот увеличивается. Снизить этот параметр можно увеличением пребывания газа в зоне горения или уменьшением времени процесса сгорания топлива, например, при интенсификации указанного процесса за счет применения усовершенствованных фронтовых устройств с вихревыми горелками.
Уровень эмиссионного совершенства камеры сгорания определяется
следующими параметрами: временем пребывания газа в камере TV9 функционально зависимого от тяги двигателя Р (номинальной мощности), неполнотой сгорания топлива 1-*7Z, зависимой от параметра форсирования камеры П, соотношением индексов загрязнения окиси углерода и несгоревших углеводородов Р, зависимым от неполноты сгорания топлива.
Главными факторами, влияющими на образование NOx, являются локальные температуры газа в камере сгорания, время пребывания газа в зоне высоких температур, уровни концентрации кислорода и азота в зоне горения, а также температура воздуха на входе в камеру сгорания рис. 2, 3. Выбросы NOx высоки и имеют тенденцию к возрастанию, а возможности по управлению локальной температурой газа, концентрациями кислорода и азота, например, путем перераспределения расхода воздуха по длине камеры сгорания, весьма ограничены вследствие того, что распределение воздуха по элементам камеры сгорания существенно влияет на ее основные характеристики: диапазон устойчивой работы, высотный запуск, дымность и т.д. Поэтому при проектировании новых камер сгорания и фронтовых устройств с традиционной схемой организации рабочего процесса практически единственным действенным средством уменьшения выброса NOx является сокращение времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур. Приближенно можно полагать, что время пребывания в указанной зоне пропорционально средней величине времени пребывания газа в камере сгорания.
Известно, что с увеличением р*к и Т к происходит уменьшение выброса СО, НУВ и увеличение выброса NOx. На режиме малого газа (по данным ЦИАМ) выделяется 85 - 95 % СО и НУВ за цикл и лишь 10-15 % NOx. Высокий уровень выброса СО и НУВ на режиме малого газа объясняется малой концентрацией топлива в рабочей смеси, плохим смесеобразованием, небольшой скоростью протекания химических реакций при низких температурах и давлениях, а следовательно, и большой долей несгоревших компонентов топлива. Результатом является неполное сгорание топлива на малых режимах. Несколько сглаживает этот эффект увеличение времени пребывания газа в камере сгорания, наблюдаемое на режиме малого газа, однако низкие значения р к и Т к оказывают более значительное воздействие. Режим малого газа - нерасчетный режим. Это усугубляет трудности, возникающие при доводке двигателя по выбросам СО и НУВ. Даже применение специальных мероприятий, таких, как пневматическое распыление топлива, дающие эффект именно на малых режимах, не всегда обеспечивает удовлетворение норм ICAO.
Итак, повышение р кяТ*к приводит к уменьшению выброса СО, НУВ и к увеличению выброса NOx. Учитывая, что на уровень образования NOx в традиционных камерах сгорания ГТД, практически, реально можно воздействовать только снижением времени пребывания газа в зоне горения, этот параметр выбирается как основной из условия удовлетворения норм на выброс NOx.
Окислы азота, основную часть которых обычно составляет окись азота, образуются в результате окисления азота, находящегося в атмосферном воздухе, в высокотемпературных зонах камер сгорания. Этот процесс эндотермичен и идет с заметной скоростью только при температурах выше 1800 К. N0 образуется только в горячих центральных зонах камеры, и максимум концентрации N0 достигается на режиме наибольшей тяги. По причинам образования различаются:
термическая N0, образующаяся при окислении атмосферного азота в послепламенных газах;
сверхравновесная N0, образующаяся в быстрых реакциях во фронте пламени;
топливная N0, образующаяся в результате окисления азота, содержащегося в топливе.
Термическая окись азота. Установлено, что образование N0 в процессах
горения происходит в соответствии с цепным механизмом Зельдовича:
02 о 20;
О+N2<*NO + N -316 кДж; В. 2
N + 02 <г>МО + 0-\ЪЬАкДж.
Основные реакции окисления топлива в воздухе протекают при избытке воздуха быстро и играют незначительную роль в процессе образования N0, просто нагревая смесь.
Цепные реакции образования N0 начинаются с высвобождения атомов кислорода при термической диссоциации молекул кислорода, не израсходованных при горении. Появляющиеся затем атомы азота реагируют с молекулярным кислородом и образуют N0. Равновесная термическая диссоциация молекул азота при тех температурах, которые имеют место в камерах газотурбинных двигателей, еще не достигается, и единственным источником атомарного азота служит вторая реакция (с атомарным кислородом). Расчетная равновесная концентрация N0 возрастает с уменьшением коэффициента избытка топлива Ф при фиксированной температуре и с повышением температуры при неизменном <Р. В камерах сгорания <р и температура взаимосвязаны, потому вследствие конкуренции между молекулами топлива и азота за свободный кислород, образование N0 достигает максимума с «бедной» стороны от стехиометрии. Хотя температура максимальна в стехиометрической или более богатой смеси, имеющийся кислород вступает в реакцию, главным образом, с молекулами топлива (из-за
более высокой скорости экзотермических реакций окисления топлива). При понижении <р ниже примерно 0,8 падение температуры горения настолько велико, что оно перекрывает эффект от увеличившегося содержания свободного кислорода, и уровень концентрации образующейся N0 начинает снижаться.
Рис. 2 демонстрирует четкую зависимость выброса NOx от температуры воздуха на входе в камеру, которая, как известно, в значительной мере определяет температуру пламени. Влияние на выброс NOx температуры пламени и давления воздуха исследовалось в работах с пропановоздушной смесью [3, 14, 114, 125]. Полученные результаты хорошо описываются выражением:
1п(Ж>; /г)= -72,28+ 2,8<Ь/Г-7738, где Т - адиабатическая температура пламени, т - время пребывания газа в камере, мс. Влияния давления при его изменении от 0,5 до 3 МПа обнаружено не было, этого и следовало ожидать, поскольку реакция происходит без изменения объема. Влияние времени пребывания газа в камере на образование NOx следует из данных рис. 3. Они свидетельствуют об увеличении выброса NOx при росте времени пребывания, за исключением режима с очень бедной смесью <р- 0,4, для которого скорость образования NOx настолько мала, что влияние на нее изменения времени пребывания становится несущественным.
Сверхравновесная окись азота. При определенных условиях, особенно в низкотемпературных пламенах богатой топливовоздушной смеси, N0 обнаруживается на очень ранних стадиях процесса горения; этот факт противоречит идее о медленном характере окисления азота. Механизм этого явления пока еще далеко не ясен, но установлено, что оно происходит в результате взаимодействия большого числа промежуточных веществ, возникающих в ходе основных реакций окисления углеводородов до СО и затем до СОг.
Выбросы такой «сверхравновесной» окиси азота не могут быть
предсказаны с высокой точностью. Однако, для наиболее совершенных
современных камер сгорания они, вероятно, должны быть между 0 и 30x1 О*6 по
концентрации, причем, меньшие величины соответствуют
высокотемпературным условиям относительно «бедной» зоны горения, а большие величины - низкотемпературной зоне горения «богатой» смеси.
Окись азота из топлива. Если в топливе содержится химически связанный азот, то часть этого азота неизбежно перейдет в окись азота, называемую «NO из топлива». Доля азота, подвергающегося такому превращению, зависит от особенностей процесса горения. Легкие дистиллятные топлива содержат небольшие количества органического азота (менее 0,06 %), но тяжелые продукты перегонки могут содержать уже до 1,8 % азота. Поэтому в зависимости от степени окисления этого азота N0 из топлива может составлять значительную долю в общем выбросе окиси азота.
Имеющиеся данные о механизме образования N0 из связанного в топливе азота позволяют предположить следующее:
Связанный азот, если его содержание в топливе не велико (менее 0,5 % по массе), практически, полностью превращается в N0 при горении «бедных» смесей.
Степень превращения азота в N0 уменьшается при увеличении содержания азота в топливе, особенно при горении «богатых» смесей.
Степень превращения азота в N0 медленно увеличивается при повышении температуры пламени.
Состав азотосодержащих компонентов топлива не влияет на степень превращения азота в NO.
До сих пор рассматривалась только окись азота, являющаяся продуктом первоначального окисления азота. Однако окись азота окисляется до двуокиси, как только достигается требуемая для этого низкая температура в выхлопных газах двигателя.
В действительности превращение N0 в NO2 начинается еще в камере сгорания в зонах со значительным избытком воздуха. На режимах большой тяги доля NO2, образующейся в камере, очень мала, но на режимах малого газа содержание NO2 в окислах азота (NO + NO2) может достигать 50 %. Эти результаты согласуются с тем, что при низких температурах NO2 более стабильна, чем N0. Была предложена кинетическая схема, позволяющая объяснить полученные результаты и прогнозировать скорость превращения N0 в NO2, которая, как оказалось, может достигать примерно 25 % за 0,1 мс при 700 К. При 900 К скорость превращения снижается до < 6 % за 0,1 мс. Остаются, тем не менее, некоторые сомнения в отношении того, действительно ли превращение в NO2 происходит в камере сгорания или это результат «замораживания» продуктов горения вблизи охлаждаемых стенок пробоотборника.
Рассматривая практические методы снижения выбросов загрязняющих веществ, концентрируем внимание на отдельных составляющих этих выбросов. Конструкция камеры сгорания выбирается в результате целого ряда компромиссов, и не только между той или иной составляющей выбросов, но и между требованиями к различным характеристикам, таким, как устойчивость горения и размеры камеры. Задача снижения выбросов загрязняющих веществ потребовала нового подхода к конструированию камер сгорания, и в настоящее время разрабатывается уже ряд перспективных схем.
Главным фактором, определяющим образование NOx, является температура. Действительно, выброс NO экспоненциально возрастает с повышением температуры пламени согласно соотношению NOx ~ ехр 0,009 Т, где Г- температура в зоне реакции, 1000 -1700 К.
Для большинства практических целей остальные параметры камеры сгорания можно учитывать лишь в той мере, в какой они влияют на температуру пламени. Для уменьшения выхода NOx, в первую очередь, необходимо снизить температуру в зоне реакции, в которой скорость
образования NOx будет велика. Наконец, время, в течение которого может происходить образование NOx, должно быть сведено к минимуму.
Наиболее прямой путь к уменьшению выбросов NOx заключается во внесении различных конструктивных усовершенствований, к которым относятся изменение геометрии жаровой трубы и распределение расходов воздуха, использование более совершенных методов подачи топлива и охлаждения стенок. Достоинства такого подхода: не затрагивает основной конструкции КС и усовершенствования могут быть введены достаточно легко. Однако, окончательный вариант конструкции будет компромиссным в отношении как выбросов, так и рабочих характеристик КС. Можно использовать следующие практические приемы для снижения выбросов NOx из КС традиционного типа:
«Бедная» первичная зона - добавление воздуха в первичную зону привело бы к снижению температуры горения, а следовательно, и к уменьшению выброса NOx, но в данном случае увеличивается выброс СО и НУВ. Следовательно снижение выброса NOx данным способом ограничено.
«Богатая» первичная зона - избыток топлива также, как и избыток воздуха снижает температуру пламени, а следовательно, и выброс NOx. Недостаток этого метода заключается в том, что при переходе «богатых» продуктов сгорания через стехиометрическое состояние трудно обеспечить требуемое условие на входе в турбину. Скорость перевода продуктов сгорания из «богатого» в «бедное» лимитируется тем, что за соответствующее ему время СО и НУВ должны успеть окислиться.
Гомогенизация горения. Улучшение перемешивания топлива и воздуха до горения сделала бы более равномерной температуру пламени в зоне горения. Если это осуществить в условиях «бедной» первичной зоны, то выброс NOx может быть значительно снижен.
Уменьшение времени пребывания. Выброс NOx может быть значительно снижен, если уменьшить время пребывания газа в условиях высоких
температур и особенно в зоне обратных токов, где происходит диффузионное горение.
Впрыск воды. Так как образование NOx сильно зависит от температуры, то разбавление топливовоздушной смеси не горючим веществом должно снижать выход NOx. Главным недостатком впрыска воды являются эксплуатационные проблемы, связанные с подачей и хранением больших количеств дистиллированной воды. Такая техника уменьшения выбросов успешно применяется в ряде больших газовых турбин тепловых электростанций.
Циркуляция продуктов сгорания. Основой этого метода является возврат в первичную зону охлажденных продуктов сгорания. Применение этого метода позволит существенно снизить выход NOx, но ценой увеличения выхода СО. К другим недостаткам этого метода относится увеличение размеров, веса и усложнение конструкции КС.
Применение КС с микрофакельным горением.
Один из возможных подходов заключается в использовании в той или иной форме «изменяемой геометрии», т.е. регулирование проходных сечений и, следовательно, количество воздуха, поступающего в первичную зону горения.
Другой подход связан с использованием двух отдельных зон горения, каждая из которых оптимизируется для работы соответственно на режимах малой и большой мощности.
Существуют схемы двухзонной двухъярусной кольцевой КС, которая имеет две кольцевые зоны горения. Внешняя зона - ступень малого газа. Эта ступень служит одновременно дежурной зоной горения для внутренней основной зоны, которая используется на всех остальных режимах двигателя.
Наибольшими потенциальными возможностями, в отношении снижения уровня выбросов окислов азота, обладает, так называемая, каталитическая КС. Однако, при реализации такой КС встретится ряд серьезных проблем: высокая стоимость, отравление и эрозия катализатора, большие гидравлические потери
и трудности поддержания заданного температурного режима в каталитическом реакторе.
Чтобы удовлетворить требования по уровню выбросов дальней перспективы, необходимо создать КС нового типа, позволяющие снизить выбросы всех вредных компонентов одновременно. Должного эффекта можно достичь при использовании эшелонирования подачи топливовоздушной струи в осевом направлении.
Типичные варианты имеют следующие отличительные признаки:
Слабофорсированная первичная зона с системой подачи топлива, обеспечивающей хорошее смешение его с воздухом. Горение в первичной зоне должно обеспечивать подвод тепла, необходимый для режима малого газа, и создавать дежурное пламя для остальных зон горения, располагающихся ниже по потоку.
Дополнительные зоны горения (одна из нескольких) ниже по потоку, каждая с отдельным подводом топлива и воздуха, с хорошим их перемешиванием. В концепции зонного горения упор делается на оптимизацию распределения топлива, тогда как в случае КС изменяемой геометрии на передний план выдвигается распределение воздуха. Общая цель обеих концепций состоит в регулировании температуры горения для достижения низкого уровня выбросов при всех эксплуатационных условиях.
Сжигание предварительно подготовленной бедной смеси рассмотрено в работах [16, 69, 76, 82, 83, 105]. Этот подход предусматривает полное испарение топлива, и полное перемешивание его с воздухом до начала горения. Исключая горение капель, и создавая в первичной зоне гомогенную бедную смесь, удается обеспечить низкую температуру реакции, устранить в зоне горения локальные горячие области и, таким образом, заметно уменьшить выброс NOx.
Для получения максимального эффекта этот подход следует применять к камере изменяемой геометрии. Но даже в этом случае процесс горения иногда может оказываться в опасной близости к пределу срыва пламени. В связи с этим, может потребоваться применение дежурного пламени того или иного типа, чтобы обеспечить воспламенение и поддержать горение при неблагоприятных условиях. Другим недостатком сжигания «бедной» смеси является то, что время, необходимое для испарения топлива до его поступления в зону горения камеры, может оказаться достаточным для самовоспламенения смеси или проскока пламени при высоких температурах воздуха на входе в камеру, характерных для взлетного режима. Кроме того, расход воздуха через фронтовую часть жаровой трубы, необходимый на режимах большой тяги для обеспечения «бедного» состава смеси в зоне горения, на режимах меньшей мощности может оказаться слишком большим и вызвать срыв пламени. При использовании рассматриваемой схемы организации процесса горения в будущих камерах газотурбинных двигателей должны быть приняты во внимание и характеристики экономичности (полнота сгорания топлива), а также надежность, ресурс и ремонтопригодность.
Каталитическое горение [18, 25, 51, 62, 65, 124, 141, 147]. Катализ позволяет окислять топлива при температурах, значительно ниже «бедного» предела воспламенения. Поэтому применение катализаторов в камерах сгорания, занимающих часть объема зоны горения, дает возможность сжигать топливо при температуре, которая примерно на 1000 ниже максимальной температуры в зоне горения обычной камеры. Так как выброс NOx зависит от температуры экспоненциально, можно ожидать, что горение при сильно сниженных температурах уменьшит образование NOx по тепловому механизму на несколько порядков величины.
Одним из недостатков каталитических камер сгорания является возможность самовоспламенения топлива перед каталитической решеткой. Применение каталитических камер сгорания в двигателях потребует разработки
способа прогрева катализатора до температуры его активации при «холодных» запусках двигателя.
Микрофакельное горение [17, 24, 89, 143]. КС современных ГТД должны удовлетворять широкому кругу требований, относительная важность которых зависит от типа двигателя. Для транспортных двигателей наиболее значительными являются:
близкая к ста процентам полнота сгорания во всем диапазоне рабочих режимов;
уменьшение размеров и массы;
соответствие фактического и расчетного полей температур газов на выходе из КС;
обеспечение устойчивого горения в широком диапазоне изменения скорости и коэффициента избытка воздуха;
способность работать на ухудшающихся видах топлива;
простота обслуживания и сборки КС;
низкие гидравлические потери;
обеспечение норм по токсичности продуктов сгорания.
Невозможность одновременного выполнения выше перечисленных жестких требований изменения конструкции КС привели к поиску новых способов организации сжигания топлива: каталитическая, гомогенная и зонная. Зонное горение предполагает организацию процесса горения в ряде дискретных зон, причем могут использоваться осевое, радиальное и окружное расположение зон. Наибольшее распространение имеет осевое или ступенчатое расположение зон горения. Двухступенчатые КС нашли широкое применение в авиационных двигателях, но чрезмерное увеличение осевых габаритов оказалось неприемлемым для двигателей наземного транспорта.
Разновидностью зонного горения является микрофакельный принцип сжигания топлива, т.е. дробление факела на отдельные микроочаги как в
радиальном, так и в окружном направлениях, что увеличивает поверхность и объем фронта горения.
Все модели микрофакельных фронтовых устройств обеспечивали предварительную подготовку горючей смеси и рассредоточение, секционирование поверхности фронта горения КС.
В основу разработки микрофакельных устройств для сжигания жидкого топлива положены следующие принципы:
предварительная подготовка топливовоздушной смеси;
многоместная, устойчивая стабилизация пламени, обеспечение частичной рециркуляции горячих продуктов сгорания;
«развитие зоны горения во всех направлениях за счет явления самоорганизации и эжекции микрофакелов»;
максимальное увеличение общей поверхности фронта пламени путем продольно-поперечного секционирования;
организация надежного охлаждения;
обеспечение пониженного среднего уровня температуры факела за счет оптимального распределения воздуха к микрофакелам;
использование в конструкции многоярусности и различных профильных элементов для стабилизации пламени.
В отличии от традиционных схем, особенностью новых конструкций является то, что в микрофакельных КС отсутствует разделение камеры на зоны горения и смешения и почти весь воздух подается через фронтовые стабилизаторы. В аэродинамическом следе микрофакельных устройств происходит удержание отдельных микроочагов, поэтому они сами являются стабилизаторами.
В зависимости от назначения и условий работы двигателя подготовка топливовоздушной смеси может меняться. Эти конструкции обеспечивают все более возрастающие требования к выбросу вредных веществ, а также
обеспечивают использование в двигателях топлива, ухудшенного качества, и значительно улучшают компоновку всего двигателя.
В программах NASA основное внимание уделяется выбросам NOx, которые существенны только на режимах большой мощности. В отличие от них, программа исследования возможностей снижения вредных выбросов на режимах малого газа (LPERT) имела своей целью существенное уменьшение выбросов СО и НУВ на режимах малой мощности. Эти требования очень жесткие, поскольку можно установить, что они соответствуют полноте сгорания топлива на режиме малого газа, равной 99,7 %.
Три варианта КС были сконструированы и потом испытаны в условиях, соответствующих режиму малого газа перспективного турбовентиляторного двигателя:
камера сгорания с теплоизолированной стенкой;
камера сгорания с регенеративным воздушным охлаждением;
камера сгорания с каталитическим конвертером.
Большие потенциальные возможности КС с сжиганием предварительно подготовленной бедной смеси требуют значительных исследовательских усилий в области горения «бедных» смесей, подготовки топливовоздушной смеси, самовоспламенения и проскока пламени. Было проведено исследование влияния режимных параметров КС (давления, температуры и состава смеси в зоне горения), времени пребывания, геометрии камеры и характеристик топливовоздушной смеси, таких, как угол конуса распыления, распределения капель по размерам, степень испарения и однородность смешения, на горение бедных смесей и характеристики выброса. Был достигнут уровень выброса NOx не более 0,3 г/кг топлива при полноте сгорания топлива выше 90 %; при этом камера работала вблизи «бедного» предела устойчивого горения. Также установлено, что добавка небольших количеств водорода к пропановоздушной смеси может смещать «бедную» границу срыва пламени в сторону меньших
значений #>, а также значительно уменьшить выбросы NOx без ухудшения полноты сгорания топлива.
Вихри определяют характеристики струи и значительно увеличивают уровень теплообмена. Вихри образуют зону рециркуляции, зону с хорошим смешением с продуктами сгорания и область накопления тепла вблизи выходного сечения горелки (форсунки).
В Московском государственном авиационном институте в качестве возможной схемы малотоксичной камеры сгорания, позволяющей добиться снижения образования окислов азота в продуктах сгорания углеводородных топлив, рассматривается схема кольцевой камеры сгорания с подачей топлива через большое число топливных форсунок, располагающихся в головной части камеры. Такая схема камеры сгорания является одной из схем двухзонной камеры сгорания с горением бедной топливовоздушной смеси. На ряду с расчетными исследованиями проводятся и экспериментальные исследования.
На первом этапе исследования, учитывая возможности экспериментального стенда, было принято решение разработать, изготовить и испытать индивидуальную жаровую трубу камеры сгорания с современным фронтовым устройством. Такая камера сгорания является модельной, она существенно облегчает проведение экспериментальных исследований и значительно снижает стоимость изготовления экспериментальной модели.
Приоритетным направлением исследования для данной работы принято изучение такого компонента продуктов сгорания нефтяного топлива в газотурбинном двигателе, как NOx. В работе проведены экспериментальные исследования влияния конструкции фронтового устройства на процесс образования NOx.
Цель данной работы состоит в проведении экспериментальных исследований процессов образования NOx в камерах сгорания газотурбинных двигателей, определении зон с максимальной концентрацией NOx с целью
математического описания этого процесса и разработки практических рекомендаций по повышению экологичности ГТД.
Задачи настоящего исследования могут быть сформулированы следующим образом:
исследовать структуру течения в аэродинамическом следе за одиночной вихревой горелкой, установленной в свободном пространстве;
выполнение сравнительного анализа параметров газовой струи по наличию вредных выбросов в следе за фронтовыми устройствами различной конструкции;
проведение экспериментальных исследований новой конструкции фронтового устройства, в котором используются наиболее перспективные разработки в области организации процесса горения с целью уменьшения количества вредных выбросов в атмосферу;
с помощью газоанализатора определить наличие вредных выбросов за фронтовыми устройствами различной конструкции, а также определить зоны максимальной концентрации этих веществ;
обратить особое внимание на зоны, в которых происходит активное образование N0 и NOx и, в частности, выбросов NOx;
разработать в соответствии с результатами исследований физическую модель процесса горения обедненной смеси для проверки полученных экспериментальных результатов;
провести проверку полученных экспериментальных результатов по методике, разработанной рабочей группой на базе программного пакета EFD.Lab фирмы NIKA GmbH;
разработать практические рекомендации, направленные на наибольшее снижение количества вредных выбросов в камере сгорания предложенной схемы.
Анализ и сравнение экспериментальных данных
Анализируя полученные данные для всех исследуемых типов ФУ можно сделать выводы, что зоны образования максимального количества NOx соответствуют зонам с повышенной температурой. Это связано, в первую очередь, с тем, что при температурах горения выше 800 С происходит интенсивное выделение окислов азота, а температуры, как это видно из таблиц 1,2,3, при проведении экспериментов достигали 1800 С.
Несмотря на довольно высокий уровень температур, полученных при проведении экспериментов, суммарное значение выбросов NOx, полученное при исследовании ФУ № 2 во всех его вариантах, было ниже, чем за фронтовым устройством № 1. Падение суммарного количества выделенного NOx при исследовании второго ФУ связано, на наш взгляд, прежде всего с тем, что в зону горения топлива основного контура подается уже подготовленная и испаренная топливовоздушная смесь, при попадании которой на границу дежурной зоны горения происходит ее воспламенение, что приводит к значительному снижению температуры в зоне горения, и, в свою очередь, к уменьшению интенсивности выделения NOx. Вследствие того, что в зону попадает подготовленная и подогретая смесь, время ее горения, а следовательно, и время пребывания продуктов сгорания в зоне повышенных температур уменьшается, что также влияет на процесс образования NOx, уменьшая его количество. Анализируя полученные данные в эксперименте так же можно сделать вывод о том, что в потоке за исследуемым фронтовым устройством № 2 и № 2а мы смогли добиться разделения процесса горения за ним на две зоны: центральной (зона первого контура), в которой происходит диффузионное горение, и внешней (зона второго контура), где происходит гомогенное горение.
Изначально предполагалось, что зона дежурного горения по своим конструктивным параметрам будет обеспечивать выброс NOx, соответствующий современным требованиям ИКАО, но обеспечив гомогенное горение топливовоздушной смеси во втором контуре, мы предполагали получить уменьшение суммарного количества выбросов NOx на 25 - 30 % от ныне существующих схем ФУ. Это происходит вследствие того, что при горении во втором контуре интенсивность выделения NOx значительно снижается.
При огневых исследованиях ФУ № 2 было подтверждено предположение, что при подключении второго контура на границе зон горения первого и второго контуров выделение NOx резко падает (почти до нуля) (рис. 34). На наш взгляд это связано с тем, что при попадании топливовоздушной смеси второго контура на границу зоны горения первого контура происходит снижение температуры горения, а т. к. смесь в зону поступает подготовленная и испаренная, то время нахождения газов, образовавшихся при сгорании топлива, в зоне высоких температур значительно уменьшается. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению количества образовавшихся NOx, несмотря на то, что средняя температура газов за ФУ находится в пределах 1100-1400 С.
Аналогичный эффект был получен и при отработке фронтового устройства № 2а с модельной жаровой трубой (рис. 34). При замере параметров потока в тех же сечениях, что и прежде, подтвердилось наличие того же эффекта, а именно, что при подаче предварительно подготовленной топливовоздушной смеси во второй контур происходит ее поджог от фронта пламени первого контура, сопровождающийся понижением температуры и уменьшением количества образовавшихся NOx.
В результате проведенных экспериментов были получены данные по выделению NOx в следе за исследуемыми фронтовыми устройствами.
Результаты экспериментов фиксировались приборами, расположенными в пультовой, а так же газоанализатором ЭКОМ. В некоторых экспериментах использовалась компьютерная система обработки данных, описанная в главе 2 и приведенная на рис. 27. После обработки полученных данных по полям температур и выбросам NOx они были сведены в таблицы 1, 2,3, приведенные в приложении. Было выполнено фотографирование факела при проведении эксперимента с ФУ № 2 без модельной жаровой трубы рис. 41.
По аналогичной схеме были проведены исследования ФУ № 1 и ФУ № 2 с модельной жаровой трубой (ФУ № 2а).
Исследования, как представлено ранее, проводились примерно на одном режиме и замеры вьшолнялись в одинаковых сечениях 50, 100, 160 и 280 мм от среза фронтового устройства.
Из полученных данных видно, что максимальное количество образования NOx происходит в зоне повышенных температур на границе зоны обратных токов.
Полученные результаты говорят о том, что при использовании ФУ конструкции аналогичной исследуемой, можно получить уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу по сравнению с ныне существующими ФУ на фоне сохранения высоких средних температур. По сравнению с ФУ, исследуемым в работе [22], суммарное уменьшение вредных выбросов NOx за ФУ № 2 на исследуемых режимах составило примерно 15-25%.
Математическая модель реагирующей газокапельной смеси
Математическая модель для описания стационарных и нестационарных турбулентных реагирующих газокапельных смесей основывается на методе решения системы осредненных по Фавру (сжимаемых) уравнений Навье-Стокса, уравнений К-Е модели турбулентности, уравнения переноса полной энтальпии и необходимого количества уравнений переноса реагирующих компонент. Для расчета стационарных течений используется метод установления по времени. Система уравнений имеет следующий вид: m действие массовых сил и источник импульса при взаимодействии фаз, SH = P8iui +Q + Sdh - работа сил тяжести, источники тепла и источник, связанный с фазовыми превращениями, Syftn — Smm + Wm . источник компонента за счет фазовых и химических превращений, Сре\ Се2 константы модели турбулентности, ///, Л , J2 - функции модели ламинарно-турбулентного перехода, g - ускорение массовых сил, Н - полная энтальпия единицы массы, к . кинетическая энергия турбулентности, Р -давление, Рг - число Прандтля, Pf"t - турбулентное число Прандтля, к е -константы модели турбулентности, - время, Щ- компоненты вектора скорости, Xj - декартовы координаты, S - диссипация кинетической энергии турбулентности, № - коэффициент динамической вязкости, Mt - коэффициент турбулентной вязкости, Р - плотность, т - тензор сдвиговых напряжений, JR -тензор напряжений Рейнольдса, ут - массовая доля /и-ой компоненты.
Необходимо отметить ряд особенностей системы (1) - (6) и методики её решения.
Первый важный момент связан с тем, что плотность газа не находится из (1) - (6). Для ее вычисления используется уравнение состояния p = F(P,H,y), вид которого определяется подмоделью термодинамики. В программной реализации расчет термодинамических и теплофизических свойств газа или газокапельной смеси, таких как вязкость, теплоемкость и теплопроводность, коэффициенты диффузии паров и др., выделены в единый легко заменяемый блок.
Второй важный момент - это то, что метод разрабатывался для турбулентных течений. В этом случае единственно приемлемой гипотезой является равенство единице числа Льюиса Le - pCpD/Я. Применяя закон Фика и данную гипотезу, можно преобразовать уравнение сохранения полной энергии к виду (3).
Третьим важным моментом является вычисление источниковых членов. Не привязываясь к конкретной реализации, аппроксимации таких членов не должны приводить к нарушению законов сохранения вещества, импульса и энергии. К тому же, точность, с которой удовлетворяются эти законы, определяет общую точность расчета, а также влияет на устойчивость и сходимость метода в целом.
Также необходимо отметить, что при построении консервативной модели выгодно записывать уравнение энергии относительно термохимической энтальпии, поскольку тогда все химические и термические процессы превращения энергии, которые по своей сути тесно связаны, не нарушают консервативность системы в целом и не приводят к физически неверным результатам. С другой стороны, в этом случае проще учитывать и реальные свойства газов или жидкостей. Наконец, в этом случае отсутствуют "химические" источники в уравнении энергии.
Построение расчетной сетки, применяемой для конечно-разностной дискретизации приведенных уравнений, основывается на технологии прямоугольных локально раздробленных адаптивных сеток, которая обеспечивает возможность автоматического построения сетки для областей с очень сложной геометрией [160]. При адаптации сетки к поверхности учитываются направление нормали и изменение объёма ячейки за счет её пересечения с поверхностью. Для построения аппроксимационных формул используется конечно-объёмный подход, при этом величины относятся к центрам масс ячеек. Такой подход позволяет построить консервативные разностные схемы [160 - 164]. Для решения связки уравнений неразрывности и импульса применяется процедура расщепления, подобная SIMPLE. Все пространственные операторы и конвективные члены аппроксимируются со вторым порядком точности. Монотонность схемы обеспечивается с помощью нелинейной аппроксимации конвективных членов с ограничением. Для решения задач сопряженного теплообмена используется единая система дискретных уравнений энергии в газе и теле.
Расчет термодинамических и теплофизических свойств
Термодинамические свойства реагирующего газа описываются с помощью модели многокомпонентного совершенного газа в рамках допущения о равновесной заселенности энергетических уровней, отвечающих всем внутренним степеням свободы молекул и атомов [166]. В этом случае удельный термодинамический потенциал Гиббса имеет следующий вид: Nc Nc G(pJ,r) = TiRTln(Pri P0lirj) + Gf(T)]i (7) /=1 /=1 где R - универсальная газовая постоянная, У і - мольно-массовая концентрация I -ой компоненты, 0 = 101325 Па. стандартное давление, Gj (Т) -стандартные молярные потенциалы Гиббса отдельных компонент, которые связаны с приведенными стандартными потенциалами Ф{(Т) следующим образом [210]: G?(T) = AfH?(T0) - [Н?(Т0) - Я?(0)] - ГФ? (Г), (8) где 7()=298,15 К - стандартная температура, Hi (0). стандартная энтальпия HfiT) при абсолютном нуле, А/#/ (TQ) - энтальпия образования вещества i ого при стандартной температуре. Аналогично, термодинамические свойства жидкой фазы вещества частиц также описываются молярным потенциалом Гиббса: Gi(p,T) = G?(T) + Ml(p-p0)[pf(T)]-\ (9) где Рі ІТ) - плотность жидкой фазы, Щ - молекулярный вес жидкой компоненты. Для вычислений Ф/СО применяются, предложенные в [166] полиномы, которые аппроксимируют табличные данные по приведенным стандартным потенциалам многих газообразных и конденсированных веществ: Ф\Т)=п+щ& ЧТ)+ср-гТ 1+ Р-\Т-1+щт + Р2Т2+кг3+пт4 (щ
В настоящей работе используется двухдиапазонная аппроксимация на интервалах температуры (100-1000) К и (1000-6000) К, коэффициенты / к подбираются таким образом, чтобы в точке стыковки Т = 1000 К совпадали значения молярных теплоємкостей Ср, вычисленные по "левой" и "правой" аппроксимационным формулам. Теплоемкости при 7 100 К и Т к 6000 К считаются постоянными и равными своим значениям при 100 АГ и 6000 К, соответственно, выражение для приведенного стандартного потенциала [166] при этом восстанавливается из предположения о постоянстве теплоемкости. Прочие термодинамические величины выражаются через потенциал Гиббса и его частные производные по давлению и температуре (например, удельный объем: v dG_ PP. КГ, _ 2J\ , энтальпия: Т Р (0 h = G [ дТ ) теплоемкость: СР=-Т W /р дГ ) Коэффициент вязкости рассчитывается по формуле Уилки, а коэффициент теплопроводности по формуле Массона и Саксена с использованием корреляции Эйкена [167]: (0 U) щ = MiRT ЇЇ -1 МАа?ф2) t i = 2%(l,32 +0,457?//4)to/5,) (12) (0
Параметры потенциалов взаимодействия одинаковых молекул &І ЄІ 8ІУІ аппроксимация Брокау для вычисления интегралов столкновений Штокмайера О!2д) бралисьиз[209].
Кинетический механизм газофазных реакций полагается многостадийным и состоящим из обратимых реакций: гіг) (0 ( ( ) (13)
Здесь: г - номера стадий, У} - стехиометрические коэффициенты, Mf символы химических компонент. Выражения для Щ, отвечающие механизму (13), имеют вид [168]: Wf = %(vjr)-if )(#(r)-J? r )f #(r) = 1(г)(Г)ехр (г) (О (14)
С целью согласования кинетики типа (13)-(14) с термодинамикой, описываемой потенциалом Гиббса вида (7), используется следующая связь между константами скоростей каждой пары взаимообратных реакций, образующих обратимые стадии (13): К(г\т) К(ґ\Т) = ехр v _(г) -(г)ч 2 / vi ) (0 G?(T) InRT RT + PO ) (15)
Для аппроксимации температурной зависимости констант скоростей прямых реакций используется обобщенная формула Аррениуса [168]: ЦТ) = АеМ +пЫТ). Необходимо отметить, что использование соотношения (15), в котором все ,0, Gj (Т) заданы в одной и той же системе начал отсчета термохимических величин, гарантируют неотрицательность вклада в производство энтропии от каждой пары реакций (13). Тем самым исключается возможность существования у рассматриваемой модели химической кинетики каких-либо нефизических свойств.
Стабилизация пламени в предварительно перемешанной смеси
Пример расчета стабилизации пламени за уголковым стабилизатором в предварительно перемешанной смеси бензина с воздухом основывается на экспериментальных данных [177]. В эксперименте измерялись параметры турбулентности и профиля температуры, которые были использованы для проверки работоспособности модели в приложении к случаю предварительно перемешанной смеси.
Экспериментальная установка представляет собой канал прямоугольной формы с размещенным внутри уголковым стабилизатором пламени. Расчет производился в трехмерной постановке, так как канал был достаточно узок и невозможно не возможно было пренебречь влиянием боковых стенок. Необходимо также отметить, что торцы уголкового стабилизатора отстояли от боковых стенок канала как в эксперименте, так и в расчете.
В расчете использовался упрощенный кинетический механизм, состоящий из одной брутто-реакции. При задании начальных и граничных условий использовались данные измерений турбулентности. Входной поток бензино
Сравнение рассчитанного и измеренного профилей температуры (рис. 5.2) показывает совпадение размера зоны обратных токов, положения и величины минимума и максимума температуры и даёт основание утверждать, что явление в целом моделируется верно.
Расчет модельной камеры сгорания проводился с целью отработки технологий расчета и сравнения полученных результатов с экспериментальными данными.
Геометрия расчетной области соответствовала геометрии камеры по результатам измерения на стенде (рис. 5.1). Следует заметить, что при постановке граничных условий газовой и капельной фаз ряд особенностей не учитывался. В частности, в расчете не учитьюалось наличие отверстий на конической части кожуха, через которые производился отбор проб и измерение температуры пламени. Параметры течения во фронтовом устройстве определялись в том же расчете. Для камеры в целом задавался расход воздуха и расход топлива, измеренные в эксперименте. В выходном сечении задавалось давление, равное атмосферному. Использованные при расчете параметры приведены в табл. 5.1. Размер капель, образующихся при распаде жидкой пелены, предполагался постоянным и равным 30 мкм, угол распыла форсунки был прият равным 60, а начальная скорость капель равнялась 30 м/с. Температура топлива задавалась равной 300 К. Поле течения фракции капельной фазы рассчитывали на Лагранжевой сетке, состоящей из траекторий капель данной фракции. Сеточные, т. е. рассчитываемые траектории выбирали так, чтобы они равномерно и с требуемой густотой покрывали всю область распространения капель. Подача топлива во второй контур фронтового устройства осуществлялась через топливный коллектор, расположенный на входе в скрещенные каналы. Число и расположение точек подвода соответствовало параметрам эксперимента, но предполагалось, что керосин подается в газообразном состоянии. Это соответствует стопроцентной эффективности смесительного устройства внешнего контура.
Дополнительно модельная жаровая труба камеры сгорания и фронтовое устройство были заданы теплопроводными с коэффициентом теплоотдачи снаружи установки 100 Вт/м /К при окружающей температуре 20 С. Внутри модельной жаровой трубы коэффициент теплоотдачи рассчитывался в соответствии с параметрами пограничного слоя. Учет теплопроводности необходим для того, чтобы обеспечить моделирование подогрева воздуха во фронтовом устройстве. Радиационный теплообмен в расчете не учитывался.
Необходимо отметить, что условия проведения эксперимента существенно отличаются от проектных условий работы фронтового устройства.
