Методика определения границы бедного срыва пламени в камерах сгорания газотурбинных установок Зубрилин Иван Александрович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Анализ современного состояния вопроса 11

1.1 Срывные характеристики камер сгорания газотурбинных двигателей 11

1.2 Теория стабилизации пламени 12

1.3 Экспериментальное определение границы бедного срыва пламени 16

1.4 Подходы к расчёту срывных характеристик камер сгорания

1.4.1 Полуэмпирические модели 18

1.4.2 Прямое моделирование бедного срыва пламени с использованием CFD 31

1.4.3 Гибридные модели расчёта бедного срыва пламени 33

1.5 Влияние режимных и конструктивных параметров на бедный срыв пламени в камерах сгорания 36

1.5.1 Режимные параметры 37

1.5.2 Конструктивные параметры 40

Заключение по главе 1 46

ГЛАВА 2 Описание математической модели 48

2.1 Моделирование турбулентности 51

2.2 Математическое описание подхода моделирования крупных вихрей

2.2.1 Основные уравнения и операция фильтрации 53

2.2.2 Подсеточная модель 55

2.3 Модель горения 58

2.3.1 Уравнение переноса параметра завершенности процесса горения 59

2.3.2 Модель скорости турбулентного пламени 61

2.3.3 Влияние растяжения пламени 62

2.3.4 Градиент диффузии 63

2.3.5 Учёт влияния стенки на процесс горения

2.4 Расчёт свойств среды 64

2.5 Скорость распространения ламинарного пламени 67

2.6 Пространственное распределение параметров потока на входной границе 72

2.7 Расчёт источникового слагаемого 76

Заключение по главе 2 78

ГЛАВА 3 Валидация математической модели расчёта течения за горелочным устройством камеры сгорания ГТУ 80

3.1 Описание экспериментального стенда 81

3.2 Измерение скорости потока 88

3.3 Измерение концентрации продуктов сгорания 96

3.4 Результаты валидации математической модели 100

Заключение по главе 3 109

ГЛАВА 4 Формирование и отработка методики расчёта границы бедного срыва пламени в нестационарной постановке 110

4.1 Расчёт бедного срыва пламени заранее перемешанной смеси за уголковым стабилизатором пламени 111

4.2 Расчёт бедного срыва пламени за вихревой горелкой 116

Заключение по главе 4 129

ГЛАВА 5 Расчётно–экспериментальное исследование бедного срыва пламени в камере сгорания 130

5.1 Описание модельной камеры сгорания 130

5.2 Методика экспериментального определения границы бедного срыва пламени в модельной камере сгорания и результаты испытаний 138

5.3 Обобщение результатов расчётно–экспериментального исследования бедного срыва пламени 143

Заключение по главе 5 147

Заключение 148

Список сокращений и условных обозначений 149

Список литературы 1

• Прямое моделирование бедного срыва пламени с использованием CFD
• Математическое описание подхода моделирования крупных вихрей
• Результаты валидации математической модели
• Расчёт бедного срыва пламени за вихревой горелкой

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В настоящее время газотурбинные установки (ГТУ), созданные на базе авиационных газотурбинных двигателей, находят всё более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Высокая конкуренция и ужесточение законодательных норм по эмиссии вредных веществ ГТУ требуют непрерывного совершенствования методик проектирования и доводки их узлов. В соответствии с международными и отечественными стандартами одними из основных нормируемых компонентов в выхлопных газах ГТУ являются оксиды азота (NO_x). Их выбросы в первую очередь зависят от процессов, протекающих в камере сгорания (КС). Мероприятия по снижению образования NO_x в основном сводятся к понижению температуры в зоне горения и уменьшению времени пребывания газа в области высоких температур. Наибольшее распространение получил метод сжигания бедных предварительно подготовленных смесей. Однако при этом сужаются границы по бедному срыву пламени, что требует дополнительных затрат при доводке изделия.

Одним из наиболее эффективных и простых в реализации способов расширения границы по бедному срыву пламени является организация горения бедных предварительно подготовленных смесей при наличии пилотного пламени, то есть сжигание частично подготовленных топливовоздушных смесей. Для определения границы по бедному срыву пламени используются модели различного уровня. Существующие полуэмпирические расчётные методики в основном разрабатывались для КС диффузионного типа или горелочных устройств с организацией гомогенного горения. Использование расчётов в трёхмерной нестационарной постановке для определения срывной характеристики при горении частично подготовленных смесей требует существенных технических и временных ресурсов, а также знания детальной геометрии КС, поэтому их использование ограничено единичными расчётами. Расчёты в трёхмерной стационарной постановке, хотя и могут быть реализованы при относительно невысоких материально-временных затратах, не дают полной картины. В связи с этим до настоящего времени граница по бедному срыву пламени (а_бс) при сжигании частично подготовленных смесей определялась преимущественно экспериментально на этапе доводки. Для сокращения времени и стоимости проектирования двигателя необходимо определять а_бс до изготовления опытного образца.

В связи с изложенным для определения срывной характеристики КС на этапе проектирования устройств целесообразным является рациональное сочетание моделей различной сложности. Таким образом, разработка методики определения границы бедного срыва пламени в камерах сгорания ГТУ при сжигании частично-подготовленных смесей является актуальной.

Степень разработанности темы. Граница бедного срыва пламени является одной из основных характеристик КС. В разработку методик её определения значительный вклад внесли: Б.В. Раушенбах, А.В. Талантов, М.Т. Бортников, Б.Г. Мингазов, Г. Вильямс, А. Лефевр, Д. Сполдинг и другие.

Основным недостатком существующих методов является ограниченность их применения для КС диффузионного типа либо для модельных устройств с идеально подготовленной гомогенной смесью. Однако в настоящее время эффективным является сжигание частично подготовленных топливовоздушных смесей, тогда как работы по созданию методики для подобного типа КС отсутствуют.

Цель работы: разработка методики определения границы бедного срыва пламени в малоэмиссионых камерах сгорания ГТУ, учитывающей горение частично подготовленных смесей, на основе обобщения результатов расчётно-экспериментальных исследований.

Задачи работы:

1. Разработка численной модели трёхмерного нестационарного процесса бедного срыва пламени в КС.

2. Валидация математической модели расчёта течения закрученного потока и бедного срыва пламени в КС.

3. Расчётно-экспериментальное исследование бедного срыва в КС с частичной
подготовкой смеси.

4. Разработка методики определения границы бедного срыва пламени при горении
частично подготовленной смеси в камере сгорания ГТУ.

Объект и предмет исследования. Объект исследования – процессы горения и стабилизации пламени, происходящие в КС ГТУ при сжигании газообразных топлив. Предмет исследования – методики определения границы бедного срыва пламени в камерах сгорания ГТУ.

Научная новизна:

3. Получена уточнённая зависимость, позволяющая рассчитать скорость распространения ламинарного пламени при горении метана при параметрах, характерных для КС современных ГТУ.

4. Экспериментально получены новые зависимости для характеристики бедного срыва пламени камеры сгорания при различных начальных температурах от расхода топлива в дежурном контуре горелочного устройства. Установлено существование экстремума функции коэффициента избытка воздуха при бедном срыве пламени от соотношения расходов топлива между основным и дежурным топливными контурами.

5. Показана корреляция между бедным срывом пламени и осреднённым по поверхности зоны обратных токов коэффициентом избытка воздуха, который определяется по результатам расчётов в трёхмерной стационарной постановке без горения топлива.

6. Разработана новая методика, позволяющая определить границу бедного срыва пламени для малоэмиссионых камер сгорания ГТУ при сжигании частично подготовленных смесей, основанная на применении расчётов в трёхмерных стационарной и нестационарной постановках.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость результатов работы заключается в разработке методики определения границы бедного срыва пламени при горении частично подготовленной смеси в малоэмиссионных камерах сгорания ГТУ, позволяющей повысить эффективность процесса их проектирования.

Практическая значимость результатов состоит в том, что разработанная методика позволяет при проектировании и доводке малоэмиссионных камер сгорания различных типов оценить влияние изменения их конструктивных особенностей на границу бедного срыва пламени и тем самым сократить сроки и затраты на доводку КС.

Результаты исследования нашли практическое применение при выполнении следующих работ:

«Создание линейки газотурбинных двигателей на базе универсального газогенератора высокой эффективности» (договор с ОАО «Кузнецов» от 15.07.2010 г. № 85/10 при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки) на основании постановления Правительства РФ №218 от 09.04.2010).

«Расчётно-экспериментальное исследование по влиянию геометрических и гидродинамических параметров камеры сгорания на поле скорости и интенсивность турбулентности в газовом потоке», ОАО «Климов».

«Камера сгорания SGT-600. Расчётная оценка рабочего процесса горения на номинальном режиме», ОАО «Металлист-Самара».

В учебном процессе Самарского университета результаты исследования нашли также широкое применение.

Методы исследования:

методы одномерного моделирования скорости распространения ламинарного пламени в зависимости от давления, состава и температуры реагентов на основе редуцированного кинетического механизма реакций окисления метана (GRI-Mech 3.0);

методы моделирования течений в трёхмерной стационарной постановке с учётом процессов турбулентного смешения топлива с воздухом в камере сгорания на основе осреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса;

численное моделирование турбулентного горения в трёхмерной нестационарной постановке на основе метода крупных вихрей;

экспериментальное определение границы бедного срыва пламени в модельной камере сгорания ГТУ при различных начальных температурах потока и в широком диапазоне распределения топлива между основным и дежурным контурами горелочного устройства.

Положения, выносимые на защиту:

7. Уточнённая зависимость скорости распространения ламинарного пламени при горении метана от давления и температуры.

8. Методика расчёта границы бедного срыва пламени в трёхмерной нестационарной постановке.

9. Результаты обобщения расчётно-экспериментальных исследований по определению срывных характеристик горелочных устройств с частичной предварительной подготовкой смеси.

10. Методика определения срывной характеристики на основе расчётов в трёхмерных стационарной и нестационарной постановках для камер сгорания с частичной подготовкой смеси.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

применением сертифицированного коммерческого программного продукта Chemical WorkBench фирмы Kintech Lab (Россия), верифицированного разработчиком на задачах определения термохимического состояния газовых смесей;

использованием сертифицированного коммерческого программного комплекса ANSYS Fluent (США), апробированного в научно-образовательном центре газодинамических исследований (НОЦ ГДИ) Самарского университета по результатам сравнения с данными, полученными в ходе стендовых экспериментальных исследований;

применением метрологически аттестованного и поверенного измерительного оборудования;

совпадением результатов численного моделирования в трёхмерной постановке с результатами собственных экспериментальных исследований модельных объектов и опубликованными экспериментальными данными других авторов.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались: на VII Всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» (Самара, 2010 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2011 г.); Научно-техническом конгрессе по

двигателестроению (Москва, 2012 г.); симпозиуме с международным участием «Самолётостроение России. Проблемы и перспективы» (Самара, 2012 г.); Международном научно-техническом форуме, посвящённом 100-летию ОАО "Кузнецов" и 70-летию СГАУ (Самара, 2012 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики (АНТЭ-2013)» (Казань, 2013 г.); International Conference on Fuels and Combustion in Engineering (Стамбул, 2014 г.); 7th European Combustion Meeting (ECM 2015) (Будапешт, 2015 г.); «ASME Turbo Expo 2015: Turbomachinery Technical Conference & Exposition» (Монреаль, 2015 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, 2015 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 статей в периодических изданиях, включённых в список ВАК РФ, и 4 статьи в изданиях, индексируемых в базе данных Scopus.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 160 наименований. Основной текст содержит 169 страниц, 74 иллюстрации и 13 таблиц.

Прямое моделирование бедного срыва пламени с использованием CFD

Повышение экологичности и топливной экономичности авиационных газотурбинных двигателей и созданных на их базе наземных установок требует поиска новых путей организации рабочего процесса в КС. В соответствии с международными и отечественными стандартами одним из основных нормируемых компонентов являются оксиды азота (NOx). Мероприятия, обеспечивающие уменьшение скорости образования NOx, сводятся к снижению температуры в зоне горения и уменьшению времени пребывания газа в области высоких температур. Одним из наиболее эффективных способов снижения эмиссии NOx является сжигание бедных предварительно подготовленных смесей, LPP (Lean–premixed–prevaporized) для жидких топлив или LPC (lean premixed combustion) для газовых топлив. Сжигание топлива происходит при коэффициенте избытка воздуха в зоне горения больше единицы, что приводит к снижению температуры в зоне горения и уменьшению образования NOx по термическому механизму. Однако при использовании новых технологий горения разработчики сталкиваются с ранее не имевшими место проблемами. Решение задачи по нахождению оптимального количества воздуха, проходящего через фронтовую плиту, определяется компромиссом между экологическими характеристиками КС, в частности NOx, и эксплуатационными характеристиками. Так, технологии бедного горения обладают рядом недостатков, связанных со снижением диапазона устойчивой работы КС по бедному срыву пламени, с увеличением эмиссии оксидов углерода, снижением полноты сгорания, склонностью к повышенным пульсациям давления, которые могут привести к разрушению конструкции [86]. В свою очередь стабильное горение является одним из основных требований к КС ГТД и ГТУ независимо от их назначения [8, 16, 23, 33, 40, 108, 118].

Поскольку устойчивое горение должно осуществляться на всех режимах работы двигателя, пределы устойчивого горения по бедному срыву пламени в КС обычно представляются в виде границы, разделяющей устойчивый и неустойчивый режимы работы: a6c=f(U); a6c=f(G); U6c = /(а), где абс - коэффициент избытка воздуха, при котором происходит бедный срыв пламени; U- скорость потока в характерном сечении КС; U6c - скорость потока, при котором происходит бедный срыв пламени; G - массовый расход газа. В зарубежной литературе вместо коэффициента избытка воздуха используется коэффициент избытка топлива , который является обратной величиной от :

Аналогично определяется коэффициент избытка топлива, при котором происходит бедный срыв пламени ((р с). Стоит отметить, что существуют максимальное и минимальное значения а, определяющие «богатую» и «бедную» границы [16]. Однако на практике наибольший интерес представляет бедная граница, что связано с характерными режимами эксплуатации ГТД и ГТУ.

Как известно, скорость потока на входе в КС составляет 100-200 м/с. Наряду с этим скорость распространения турбулентного фронта пламени для углеводородных топлив может достигать максимум нескольких десятков метров в секунду. Для поддержания стабильного горения в данных условиях необходимо существование стационарного источника зажигания. Под срывом пламени понимают нарушение работы ГТД, вызванное затуханием пламени в камере сгорания. Условием стабилизации пламени в потоке будет служить поле точек в пространстве, в которых скорость потока равна скорости распространения пламени, а также наличие постоянного источника достаточного количества тепла. В связи с этими условиями основными способами стабилизации пламени в потоке являются [46]:

Аэродинамическая рециркуляция является наиболее распространённым способом стабилизации пламени в КС ГТД и ГТУ. Она осуществляется за счёт рециркуляции горячих продуктов сгорания, которая возникает в зоне разряжения в следе за плохообтекаемым телом или у оси сильно закрученной струи при действии на газ центробежных сил (рисунок 1.1). Для закрутки потока в основных КС используют лопаточные завихрители 1. В результате образуется так называемая зона обратных токов (ЗОТ) 2. В качестве границы ЗОТ принимают поверхность, на которой осевая составляющая скорости равна нулю. Объем ЗОТ заполнен продуктами сгорания и в первом приближении может рассматриваться как гомогенный реактор. Вследствие сдвигового напряжения на границе ЗОТ образуется слой смешения с интенсивным тепло- и массообменом между основным потоком 3 и обратным течением 4. В этом слое смешения происходит воспламенение свежей топливовоздушной смеси, обтекающей ЗОТ 5.

Математическое описание подхода моделирования крупных вихрей

Лилли определил значение константы Смагоринского равным 0,23 для гомогенной изотропной турбулентности в инерционном интервале. Однако было установлено, что это значение приводит к чрезмерному подавлению крупномасштабных флуктуаций при наличии среднего сдвигового течения и в переходном течении вблизи твёрдых стенок и должно быть уменьшено в этих областях. В общем случае Cs не является универсальной постоянной, и это является серьёзным недостатком данной модели. Тем не менее было установлено, что значение Cs около 0,1 даёт лучшие результаты для широкого диапазона потоков. В данной работе используется усовершенствованная модель Смагоринского-Лилли. Германо с соавторами [76] и впоследствии Лилли [111] испытывали модель, в которой модельная константа Смагоринского динамически вычисляется на основе информации о разрешённых масштабах движения, что избавляет пользователя от необходимости подбирать константу Смагоринского. Основной идеей динамической процедуры является введение второго фильтра (названного тестовым фильтром) в уравнение движения. Новый фильтр А равен удвоенному фильтру . Оба фильтра используются для получения разрешённого поля течения. Разница между двумя полученными полями сконцентрирована в области мелких масштабов, размеры которых находятся между базовым и тестовым фильтрами. Информация о данных масштабах используется для расчёта модельной константы. Ниже представлена формулировка данной модели для потока с переменной плотностью.

На уровне тестового фильтра тензор подсеточных напряжений описывается как: Tij = pu{Uj - (рщрй /р), Тц и Tij моделируют одинаково в рамках подхода модели Смагоринского-Лилли, используя теорию подобия: т0- = -2CpA2S (Sij-jSkkSij), А А « ( « Л Ти = -2С pA2S Sij - jSkkSi) (1) Коэффициенты С в уравнениях предполагаются одинаковыми и не зависящими от процедуры фильтрации. Сеточный фильтр подсеточных масштабов и тестовый фильтр подсеточных масштабов, согласно Германо [76], связаны как: Ltj = Ту - ttj = рії й} - і (WiWj), (2) где Lij рассчитывается из разрешённых масштабов вихрей. Подставляя сеточный фильтр модели Смагоринский-Лилли и уравнение (1) в уравнение (2), можно получить следующее выражение для C: с = (Ljj-LkkSjj/3) где Мч = -2 (д2р III Sij - Д2р III Л Коэффициент Cs=VC, полученный на основе динамической модели Смагоринского-Лилли, может изменяться во времени и пространстве в очень широком диапазоне. Для предотвращения численной нестабильности числитель и знаменатель в уравнении (3) локально усредняют (или фильтруют), используя тестовый фильтр. Переменная Cs также находится в диапазоне 0-0,23.

В общем случае рабочий процесс в КС можно рассматривать как горение частично подготовленных смесей. При горении частично подготовленных смесей часть топлива и окислителя перемешивается ещё до воспламенения, а остальная часть подмешивается в зоне горения. Одним из примеров является горение за горелочным устройством КС с предварительной подготовкой смеси и пилотным пламенем, подмешивание охлаждающего воздуха или вариант, когда имеется неравномерность распределения коэффициента избытка воздуха по пространству.

Модель горения Flamelet Generated Manifold (FGM) [123] предполагает, что термохимическое состояние в турбулентном пламени аналогично термохимическому состоянию в ламинарном пламени и может быть описана только в рамках нескольких переменных: доли смеси (mixture fraction), диссипации скаляра и/или завершённости горения (reaction progress). В отличие от модели ламинарных флеймлетов, в рамках которой при отсутствии растяжения пламени принимается условие термохимического равновесия, в модели FGM термохимическое состояние зависит от завершённости реакций и пламя может полностью погаснуть, например, при добавке воздуха. Теоретически данная модель может быть применена как для случая реактора идеального смешения, так и для моделирования воспламенения и погасания смеси.

Скалярная переменная, отражающая завершённость процесса горения, обозначается символом «С». Для описания пространственного и временного изменения завершённости горения решается уравнение переноса С. В ламинарном пламени горение происходит в тонком слое, С изменяется в диапазоне от 0 для исходных реагентов до 1 для равновесных продуктов сгорания. При горении в турбулентном потоке граница пламени распространяется против движения потока со скоростью, обозначаемой как скорость распространения турбулентного пламени, поэтому необходимо иметь замыкающие выражения для скорости распространения турбулентного пламени.

Распространение фронта пламени моделируется путём решения уравнения переноса для средней С взвешенной по плотности (density-weighted), обозначаемой как с yt (рс) + V (pvc) = V ( Vc) + pSc, где с - среднее значение переменной завершённости реакций, Sct- турбулентное число Шмидта, Sc- источниковое слагаемое для завершённости реакций (s_1). Переменная завершённости реакций определяется как нормированная сумма массовых долей продуктов сгорания:

Результаты валидации математической модели

Закрученный поток используется в большинстве современных камер сгорания газотурбинных двигателей для создания гомогенной топливовоздушной смеси и стабилизации пламени в широком диапазоне режимов работы двигателя [33]. В сильно закрученном потоке образуется зона обратных токов, которая представляет собой область в пространстве, в которой скорость потока направлена против движения основной массы газа (против прямого тока). Зона обратных токов образуется в приосевой области и, как правило, имеет форму тела вращения. Поскольку в современных низкоэмиссионных камерах сгорания, использующих технологию бедного горения, основная часть воздуха проходит через горелочное устройство, то зона обратных токов оказывает существенное влияние на характеристики камеры сгорания.

Исследованию аэродинамики и процессов горения в закрученных потоках посвящено значительное количество работ [9, 13, 18, 20, 51, 67, 71, 74, 83, 86, 87, 150 1]. Вместе с тем широкое разнообразие конструкционного исполнения горелок КС ГТД и ГТУ приводит к сложности в обобщении результатов их исследования. С другой стороны в известных экспериментальных работах по исследованию закрученных течений за горелочными устройствами отсутствует точная и полная информация об их геометрических характеристиках. Последнее не позволяет создать трёхмерную геометрическую модель данных конструкций и соответственно провести валидацию математических моделей на основе данных в опубликованной литературе. В ещё меньшей степени представлены экспериментальные данные по горению частично подготовленных смесей в закрученном потоке. К отдельным работам можно отнести [61, 131]. Поэтому для валидации математической модели течения необходимо обладать собственными подробными экспериментальными данными на горелочном устройстве известной конструкции. Для решения этой задачи в работе проведено экспериментальное исследование структуры потока за горелочным устройством при холодных продувках и сжигании частично подготовленной смеси. В ходе эксперимента измерялись такие параметры, как скорость потока, пульсационная составляющая скорости потока и химический состав газа.

В связи с постоянным увеличением параметров цикла ГТД (а именно– степени повышения давления в компрессоре и, соответственно, температуры воздуха на входе в камеру сгорания) при доводке как камер сгорания, так и горелочных устройств желательно обеспечить параметры на входе, близкие к реальным условиям. Для реализации данной задачи в лаборатории «Лаборатория исследования моделей камер сгорания ГТД» научно– образовательного центра газодинамических исследований Самарского университета создана высокотемпературная установка для исследования горелочных устройств и моделей камер сгорания. Установка содержит высокотемпературный нагреватель воздуха фирмы Leister (Швейцария) в комплекте с необходимым исполнительным и регулирующим оборудованием. Блок–схема установки показана на рисунке 3.1. При работе топливной магистрали суммарный расход топлива определяется по массовому кориолисовому расходомеру 13 фирмы «Yocogawa». Для измерения расхода топлива в одном из контуров применяется тепломассовый расходомер–регулятор 16 фирмы «Bronkhorst High–Tech» серии EL–FLOW. Данный прибор позволяет определять значение массового расхода природного газа, а также поддерживать заданное значение расхода топлива по одному из контуров. Параллельно с тепломассовым расходомером установлен байпасный вентиль для дополнительной подачи топлива, необходимый, например, при розжиге. Топливная система сконструирована таким образом, что установка тепломассового расходомера с байпасным вентилем возможна как на дежурный топливный контур, так и на основной.

Расчёт бедного срыва пламени за вихревой горелкой

Моделирование бедного срыва пламени проводилось по алгоритму, представленному ранее. Для оценки влияния плотности расчётной сетки моделирование бедного срыва пламени также проводилось для нескольких вариантов сеток (таблица 4.3). Для вихревой горелки сеточная независимость бедного срыва пламени, так же как и выполнение условия 20, было получено для сеток №5 и 6 (рисунок 4.9). Результаты расчёта бедного срыва пламени за уголковым стабилизатором пламени и за вихревой горелкой показали применимость критерия для оценки размера элементов сетки. Результаты расчёта и сопоставление с экспериментальными данными представлены на рисунке 4.9.

В таблице 4.4 представлены результаты расчёта бедного срыва пламени за вихревой горелкой в трёхмерной нестационарной постановке. В таблице представлено поле мгновенных значений температуры, восстановленной концентрации топлива и интенсивности тепловыделения (характеризует положение фронта пламени). При уменьшении концентрации топлива на входе вначале происходит снижение концентрации на участке до завихрителя. При поступлении обеднённой смеси в область фронта пламени уменьшается скорость тепловыделения. Затем происходит обеднение зоны обратных токов внутри цилиндрического насадка, где концентрации топлива ниже, чем на входе в горелочное устройство, из–за подмешивания атмосферного воздуха. Это приводит к ещё большему снижению интенсивности тепловыделения и в конечном итоге к бедному срыву пламени. Полученная расчётным методом картина бедного срыва пламени в целом совпадает с представлениями авторов работ по исследованию горелок данного типа [21].

На рисунке 4.11 представлено сравнение срывных характеристик, полученных расчётным и экспериментальным способами. Сравнение проводилось для двух вариантов завихрителей: с углом установки лопаток к оси потока 45 и 55 градусов. Уменьшение с 55 до 45 приводит к незначительному улучшению стабилизации пламени. Срывные характеристики, полученные расчётным методом, имеют хорошее согласование с экспериментальными данными. Максимальное отклонение результатов расчёта от экспериментальных данных составляет 4,3%, а среднее - не превышает 2,3%.

На рисунке 4.12 показано влияние угла установки лопаток завихрителя на осреднённый по поверхности коэффициент избытка топлива. Осреднение проводилось по поверхности ЗОТ внутри насадка. Установлено, что увеличение закрутки приводит к увеличению количества воздуха, вовлекаемого в ЗОТ из атмосферы, и, как следствие, её забеднению. Следовательно, температура в ЗОТ уменьшается и ухудшаются условия стабилизации. Полученные результаты подтверждают достоверность сформированной математической модели, поэтому она может быть использована для нестационарного расчёта бедного срыва пламени для горелок различной конструкции.

На рисунке 4.13 представлены результаты моделирования бедного срыва пламени при различной длине цилиндрического насадка. Как можно видеть, увеличение длины насадка приводит к улучшению условий стабилизации и расширению границы по бедному срыву пламени. На рисунке 4.14 показано мгновенное положение фронта пламени и температуры потока на поверхности зоны обратных токов внутри насадка. При увеличении длины насадка возрастает время контакта свежей смеси и горячих продуктов сгорания и, как следствие, увеличивается общая площадь фронта пламени. Увеличение длины насадка также приводит к уменьшению количества воздуха, подмешиваемого в зону обратных токов из атмосферы (рисунок 4.15), что улучшает условия стабилизации. Полученные результаты хорошо согласуются с выводами, сделанными авторами работы [21], посвящённой экспериментальному исследованию срывных характеристик модульной вихревой горелки.