Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задача исследования 7
1.1. Актуальность математического моделирования процессов горения 7
1.2. Модели химического взаимодействия и подходы к моделированию процессов горения 10
1.3. Модели, методы и программное обеспечение расчета высокотемпературных процессов 17
1.4. Постановка задачи 26
2. Инвариантная математическая модель химически неравновесных процессов и ее модификации 29
2.1. Краткое описание исходной базовой математической модели и алгоритма 29
2.2. Решение уравнений изменения состава методом з сплайн-интегрирования 8
2.3. Сравнение 9-метода с СК и SK версиями сплайн- интегрирования при численном исследовании топлива «О2+Н2» 49
2.4. Сопоставление 6-метода и СК-версии сплайн-интегрирования для топлива «обогащенный воздух + (С2Н2 + CH4 + NH3)» 62
2.5. Модификация программного комплекса и сравнение с CHEMKIN 84
3. Модификация архивов и разработка инструмента для расширения базы данных 91
3.1. Характеристика основных баз данных 91
3.2. Методика конвертирования информации из различных баз данных 100
3.3. Формирование кинетического механизма образования 106
N0 в присутствии NH3
4. Математическое моделирование процессов во фронте пламени с использованием методологии НРИС 127
4.1. Математическая модель процессов во фронте пламени 127
4.2. Алгоритм решения и описание программного комплекса «FRONT» 136
4.3. Апробация математической модели процессов во фронте пламени
4.4. Численное исследование параметров фронта пламени смеси «(С2Н2 + NH3) + воздух». 161
5. Моделирование реагирующего гомогенного потока в камере сгорания 177
5.1.Математическая модель реагирующего гомогенного потока в камере сгорания 177
5.2. Краткое описание программного комплекса "ERD" 187
5.3.Тестирование математической модели при прогнозировании эмиссионных характеристик195
5.4.Исследование влияния темпа смешения воздуха с 209
продуктами сгорания на эмиссионные характеристики
5.5. Исследование влияния режимов полета на эмиссионные характеристики камеры сгорания ВРД 215
5.6.Исследование эмиссионных характеристик перспективных топлив воздушно-реактивных двигателей 222
6. Моделирование реагирующих газожидкостных потоков 233
6.1. Исходная математическая модель 233
6.2.Дополнения модели реагирующего газожидкостного течения 241
6.3. Описание программного комплекса "GAZGEN" 247
6.4. Кинетическая схема процесса сажеобразования 257
6.5. Апробация и исследование режимов сажеобразования при течении метано-кислородной смеси в двухзонном газогенераторе 262
6.6. Численные исследования течений «(N2O4 + СгН^)"*" (N204)« » в камере газогенератора ЖРДУ 275
Заключение 281
Список использованной литературы
- Модели химического взаимодействия и подходы к моделированию процессов горения
- Решение уравнений изменения состава методом з сплайн-интегрирования
- Методика конвертирования информации из различных баз данных
- Алгоритм решения и описание программного комплекса «FRONT»
Введение к работе
Агрегаты, использующие в качестве рабочего тела высокотемпературные реагирующие течения типа «газ-газ» и «газ-жидкость», широко распространены в энергосиловых установках, применяемых на транспорте и в энергетике.
Все возрастающие требования к экологичности и энергоресурсоэффективности этих изделий могут быть реализованы в условиях оптимальной организации процессов горения и течения продуктов сгорания в рабочих объемах и трактах энергоустановок. Вместе с тем, распространенные до недавнего времени экспериментальные методы проектирования и доводки изделий вследствие высокой стоимости, невозможности рассмотрения всего спектра альтернативных вариантов, а также по ряду иных причин все в большей степени дополняются и замещаются математическими моделями. Так по результатам математического моделирования, численным экспериментом зарубежные двигателестроительные фирмы получают сегодня более 80 % новой информации и лишь около 20 % в результате натурного эксперимента [70]. И эта тенденция сохраняется.
При прогнозировании эмиссионных характеристик камер сгорания
тепловых двигателей определяющим фрагментом теоретического
обеспечения является модель процессов горения, учитывающая кинетику химических реакций.
Вместе с тем разработанное на базе математических моделей программное обеспечение, должно быть максимально удобным при практической реализации, инвариантным по отношению к набору веществ, реакций и конструктивным особенностям конкретного реактора. Кроме того, математическая модель и программное обеспечение должны быть открытыми для дальнейших дополнений и модификаций.
Предметом исследования настоящей диссертации является развитие
методов математического моделирования процессов горения и управления
экологическими и энергетическими характеристиками высоко-
температурных агрегатов энергоустановок.
В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса, актуальность моделирования процессов горения, представлен обзор моделей, методов и программного обеспечения для расчета высокотемпературных реагирующих течений, выполнен анализ библиографии по моделированию процессов: во фронте пламени, камерах сгорания ВРД, газогенераторах, определена задача исследования.
Вторая глава посвящена математическому моделированию химически неравновесных процессов на базе реакторного подхода. Здесь представлены: исходная физическая схема и уравнения химической кинетики в экспоненциальной форме, приведено описание метода Пирумова (0-метода) и алгоритма решения. Предложен и подробно анализируется метод сплайн -интегрирования с коррекцией (СК) и без коррекции (SK), описана модификация базового программного обеспечения.
В третьей главе обобщены результаты работы по анализу и обработке данных о термодинамических и термохимических свойствах индивидуальных веществ, описан состав и структура используемых архивов, представлен инструментарий для расширения базы данных, а также результаты тестовых исследований.
В четвертой главе приведена математическая модель процессов во фронте ламинарного пламени предварительно перемешанной смеси. Данная модель реализована в программном комплексе "FRONT". Здесь же представлены результаты апробации модели и программного комплекса, а также результаты численного исследования характеристик фронта пламени реагирующей смеси "(С2Н2 + NH3) + воздух".
В пятой главе рассматриваются вопросы моделирования реагирующего гомогенного потока в камере сгорания газотурбинного двигателя.
Приводится алгоритм решения и описание программного комплекса "ERD". Представлены результаты тестирования математического и программного обеспечения, а также сформированных кинетических схем образования токсичных веществ. Приведены результаты вычислительных экспериментов по определению влияния отдельных конструктивных и режимных параметров на экологические характеристики камеры сгорания, а также исследование эмиссионных характеристик перспективных топлив воздушно-реактивных двигателей.
В шестой главе приводится математическая модель, алгоритм и описание программного комплекса "GAZGEN" для расчета параметров реагирующего газожидкостного потока в газогенераторе. Сформирована кинетическая схема процесса сажеобразования. Приведены результаты численных исследований характеристик метано-кислородной смеси в двухзонном газогенераторе, а также реагирующих течений (N2O4 + C2H8N2)ra3+ (N204)» в камере газогенератора ЖРДУ.
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту, доктору технических наук, профессору Крюкову В.Г. за постоянную помощь и ценные замечания, высказанные им при подготовке настоящей диссертации.
Автор искренне благодарен академику РАН, доктору технических наук, профессору В.Е.Алемасову , чл.-корр. АН РТ, доктору технических наук профессору А.Ф.Дрегалину, доктору технических наук, профессору В.И.Наумову, доктору технических наук Т.М.Магсумову, доктору технических наук, профессору А.В.Демину за поддержку данной работы.
Модели химического взаимодействия и подходы к моделированию процессов горения
Известно, что процессы горения, протекающие в агрегатах тепловых двигателей и энергоустановок, представляют собой сложный комплекс физико-химических взаимодействий, таких как конвективный и диффузионный массообмен, фазовые переходы, химические реакции в газовой и жидких фазах, межфазные теплообменные процессы, турбулентность и т. п. Характерным является также значительная неоднородность рабочих тел в реакционных объемах энергоустановок. Такие процессы являются чрезвычайно сложными для строгого теоретического описания.
Одним из эффективных средств исследования процессов горения является интенсивно развивающееся математическое моделирование. Подробный анализ математических моделей и методов расчета химически реагирующих потоков в различных технических устройствах приведен в [57, 93,95,97].
Создание и реализация математической модели включает следующие основные этапы: - формирование концептуальной схемы и ее формализация; алгоритмизация, предполагающая, прежде всего, определение метода численного решения уравнений, описывающих процесс горения; - программная реализация, включающая выбор языка программирования и разработку собственно программных модулей расчета, формирование информационного фонда, графическое сопровождение и т.д. - получение и интерпретация результатов.
При этом модель (и ее программная реализация) должна быть: - адекватной объекту; - точной (то есть иметь высокую степень совпадения параметров реального объекта с расчетными); - устойчивой в широком диапазоне рабочих параметров моделируемой системы; - экономичной (то есть малозатратной с точки зрения ресурсов ЭВМ, подготовки и обработки данных); - доступной, простой и понятной пользователю; - универсальной (то есть иметь возможность адаптации к широкому кругу устройств и явлений); - открытой и модульной (то есть допускающей возможность легкой модернизации базового варианта).
Оптимальное сочетание подчас противоречивых требований (компромисс точности и экономичности) во многом определяется целью моделирования.
Основным явлением, характерным для горения, является процесс химических превращений в газовой фазе, и модели, описывающие эти превращения, в решающей мере определяют глубину моделирования всего процесса горения. Существующие в настоящее время модели химического взаимодействия можно разделить на следующие группы: a) модели мгновенного реагирования при смешении; b) химически равновесные модели; c) суммарно-кинетические модели; d) модели формальной химической кинетики; e) модели неравновесной химической кинетики.
Модели а, Ь, с, е можно кратко охарактеризовать следующим образом: Простейшие модели а, с широко используются для прогнозирования энергетических характеристик теплонапряженных агрегатов, особенно при моделировании многомерных реагирующих течений, но мало пригодны для описания химически неравновесных систем и прогнозирования экологических характеристик продуктов сгорания [123, 133, 159].
Химически равновесные модели (Ь) позволяют рассчитывать системы сколь угодно сложного состава и применяются для расчета характеристик
продуктов сгорания в тех случаях, когда априори известно, что скорости химических реакций чрезвычайно велики и реагирующая система находится в состоянии химического равновесия (например, на выходе из камеры сгорания ЖРД). Однако для большинства типов реагирующих течений это предположение не оправдывается.
Модели неравновесной химической кинетики (d, е) [114], используемые для условий нарушения равновесного распределения энергии по степеням свободы, несмотря на высокую точность получаемых результатов, как правило, реализованы в программы, недостаточно эффективные для практических приложений, что проявляется в: длительности времени счета, неустойчивости вычислительного процесса, значительных ограничениях по области применения (малый набор веществ и реакций, невысокие давления и температуры и т.д.).
Решение уравнений изменения состава методом з сплайн-интегрирования
Помимо задачи улучшения базовой математической модели и программных блоков пакета NERCHEM в настоящей диссертационной работе предполагается развить математические модели и программы расчета некоторых типов реагирующих течений, а именно: - фронта пламени предварительно перемешанных смесей; - реагирующего газожидкостного течения; - прогнозирования эмиссионных характеристик ВРД. Моделирование процессов во фронте пламени.
Важным фрагментом теоретического обеспечения для расчета характеристик реагирующего потока в камере сгорания является модель фронта пламени предварительно перемешанных смесей. Кроме того модель фронта пламени может быть использована для решения обратной задачи химической кинетики, т.е. для формирования и отработки механизмов химических реакций.
В камерах сгорания реактивных двигателей интенсивность процесса горения в значительной степени определяется гидродинамическими характеристиками потока. Как показывают результаты исследований, нормальная скорость пламени в значительной мере определяет скорость распространения фронта пламени в турбулентном потоке, имеющую место в камерах сгорания тепловых двигателей.
Основоположниками современной теории фронта пламени признаны Я.Б.Зельдович, Д.А.Франк-Каменецкий, Сполдинг, Льюис и др. [34, 47, 59, 94, 223]. Результаты моделирования и исследования этой проблемы приведены также в работах [95, 115, 116, 124, 125, 131, 163, 165, 166, 198, 213,215,227,239-241,244].
Существующие модели горения во фронте пламени условно можно разделить на следующие группы: - упрощенные [94, 223], использующие суммарно-кинетические представления о горении с одновременным учетом определяющих аэротермодинамических процессов; 2 - полуэмпирические [28, 203], дополненные детальными кинетическими схемами; 3 - используют общие принципы и условия сохранения либо предполагают учет лишь основных, определяющих для данного режима, процессов, дополняются детальными кинетическими схемами [208]; 4 - комплексные [124, 125, 211], использующие полные кинетические механизмы и описывающие всю совокупность аэротермохимических процессов.
Каждый тип моделей имеет свои преимущества и недостатки Так при относительной простоте и возможности аналитического решения, недостатком моделей первой группы является невозможность детального расчета состава продуктов сгорания во фронте, что обусловливает их принципиальную неприменимость к задачам прогнозирования эмиссии токсичных веществ.
Вторая группа отличается более широким спектром возможностей, но ограничена определенным набором реагирующих компонентов и режимных параметров. Кроме того, модели этой группы требуют, как правило, предварительного определения эпюры изменения ряда параметров. Так, в работе [28] представлена модель процессов во фронте пламени предварительно перемешанной газовой смеси. Модель можно классифицировать, как полуэмпирическую, и потому возможности ее применения ограничены как режимными параметрами, так и видами топлив.
Третья группа моделей вполне может быть использована для прогнозирования экологических и энергетических характеристик агрегатов энергоустановок. При достаточной точности эти модели обладают высокой экономичностью. Вместе с тем неучет отдельных явлений на некоторых режимах может стать источником существенной погрешности.
Наконец, четвертая группа моделей, использующая формально кинетические представления, реализована в программы, недостаточно эффективные для практических приложений, что проявляется в: длительности времени счета, неустойчивости вычислительного процесса, значительных ограничениях по области применения (малый набор веществ и реакций, невысокие давления и температуры, необходимость индивидуального для каждого расчета подбора управляющих параметров -т.е. зависимость качества результатов расчета от квалификации "вычислителя").
Таким образом, существующие модели и программы расчета характеристик фронта горения мало пригодны для практического использования в задаче прогнозирования эмиссии.
Моделирование реагирующего газожидкостного течения. Как правило, высокотемпературные рабочие тела представляют собой многокомпонентные химически реагирующие гетерогенные смеси. При моделировании таких течений важнейшее значение наряду с учетом химического взаимодействия приобретают тепломассообменные процессы между газом и жидкостью. Рассмотрим физическую схему, отражающую наиболее существенные факторы, характерные для газожидкостных реагирующих потоков.
Капли, увлекаемые горячим потоком газа, нагреваются и испаряются. Скорость испарения капель зависит от температуры газа и жидкости, от упругости паров, относительной скорости, от их начального размера, теплопроводности пара и жидкости, от внутренних течений в капле и физических свойств жидкости. Тепло- и массообмен между газом и каплей происходит не только за счет диффузии и теплопроводности через пограничный слой, но и вследствие конвективного отвода пара, называемого стефановским потоком [94]. Следует отметить, что при нагревании возможно термическое разложение жидкого компонента.
Методика конвертирования информации из различных баз данных
В разделе 3.1 показано, что часто возникают ситуации (например: в рабочей базе отсутствует информация о новой реагирующей среде либо необходимо уточнить информацию), когда необходимо конвертировать информацию о свойствах некоторых индивидуальных веществ из различных баз данных (BURCAT, TERMO, IVTANTHERMO) в рабочую базу программы NERCHEM. Для этого был разработан автономный программный модуль (версии APPRF1 и APPRF2).
Принципиальная идея конвертирования информации заключается в трансформации функций Н, S =/(Т) из представлений базы-донора (например, IVTANTHERMO) в форму, принятую в рабочей базе (в дальнейшем для описания параметров базы-донора используется индекс Е , а для параметров рабочей базы - индекс R ).
Нейтрализация оксидов азота в продуктах сгорания рассматривается сегодня в качестве одной из актуальных задач проектирования и организации рабочего процесса в энергоустановках. Одним из известных методов нейтрализации оксидов азота в продуктах сгорания энергетических установок является восстановление N0 при подводе NH3, которое описывается известным брутто-уравнением: 4NH3 + 4N0 + 02 - 4N2 + 6Н20 (3.13)
Изучению этого вопроса посвящены работы [26,28,132,140,146, 161,220,225,226,230,251], в которых показано, что процесс восстановления N0 в присутствии NH3 чувствителен к температурному режиму и расходу подводимого аммиака. Детальное исследование этого процесса в настоящей работе было проведено с использованием разработанного программного обеспечения и модернизированной базы данных INDAW, INDIW, INDIWK.
При формировании подробного кинетического механизма горения необходимо детально определить влияние NH3 на образование N0. Известно, что при отсутствии NH3 (в заметном количестве) в реагирующей среде (N-H-О) механизм образования N0 определяется реакциями типа:
Образование N0 происходит через промежуточные вещества из N2 и 02. Такими веществами являются радикалы N, О. Прямое получение N0 посредством реакции N2 + Oj = 2N0 крайне маловероятно ввиду высокой энергии активации. Некоторая часть N0 может образоваться через радикал HNO, но при отсутствии в продуктах горения группы NHX этим способом получается незначительное количество N0.
Для того, чтобы составить аналогичный граф для среды, содержащей аммиак, необходимо провести соответствующие численные исследования и их анализ. Такие исследования были проведены для реагирующей среды (N-H-O)-Ar. Начальная температура смеси Тц=1880 К. Начальная концентрация реагирующих веществ до подвода аммиака приведена в таблице 3.3.
После подвода аммиака {rNm=0.025) параметры смеси меняются. На рис.3.11. показана эпюра изменения температуры смеси. Результаты, иллюстрирующие изменение концентраций промежуточных веществ, приведены на рис.3.11 - 3.14. С накоплением активных радикалов процесс образования NO и исчезновения NH3 усиливается, после чего наступает стационарное для NO состояние (рис. 3.14).
Концентрации промежуточных веществ изменяются с максимумом. Причем вещества, играющие основную роль в энергетических реакциях (О, Н, ОН (рис.3.11)) имеют более высокий уровень концентраций по сравнению с веществами, участвующими в экологически важных реакциях (NH2, N, NH, HNO (рис.3.13,3.14)).
При отсутствии аммиака в реагентах процесс образования NO протекает довольно вяло, а при его наличии NO практически скачкообразно достигает весьма значительных концентраций (более 1000 ррт). Анализ изменения концентраций продуктов сгорания в области подвода аммиака позволяет сделать вывод о том, что несмотря на участие радикалов О, Н, ОН в образовании NO, их влияние существенно меньше, чем производных от аммиака NH2, N, NH, HNO. Это иллюстрируется характером процессов в первичной зоне, где концентрации О, Н, ОН -значительны, а содержание радикалов NHX минимально.
Алгоритм решения и описание программного комплекса «FRONT»
В процессе расчета по программе "FRONT" необходимо определить I(x), Т(х), Yi(x), а также скорость распространения пламени uf , которая является неизвестным параметром.
Расчет выполняется методом последовательных "прогонов": а) задается некоторое значение скорости свежей смеси up; б) выполняется интегрирование системы уравнений (4.7), (4.8), (2.1), (2.2), (2.4).
По ходу интегрирования отслеживается изменение разности М - I - If. Рост А/ (кривые 1 и 2 на рис. 4.3) означает, что и превышает скорость горения Uf. Если же разность ЛІ , изменяясь с максимумом, становится меньше нуля (кривая 3), то ujo щ . Используя эти правила, можно за несколько прогонов (п.п. а и б) определить значение Uf и все необходимые (в том числе эмиссионные) характеристики фронта горения.
Управляющим модулем программного комплекса "FRONT" для расчета параметров фронта пламени является главная программа FMAIN, блок-схема которой представлена на рис.4.4. ПК "FRONT" использует универсальную базу данных (см. п.4.1), состоящую из следующих файлов: INDAW- файл содержит массив химических реакций для различных топливных композиций и режимов работы; INDIW- содержит информацию о свойствах газообразных веществ; INDIWK- содержит информацию о свойствах конденсированных веществ.
В управляющем модуле FMAIN поочередно вызываются подпрограммы АТОМ для ввода и обработки набора реагирующих компонентов и КОМРОМ для считывания информации о заданных компонентах из файлов INDIW, INDIWK. Затем вызывается модуль TERM для расчета свойств реагирующей смеси равновесного химического состава, необходимых для сравнительной оценки равновесных и химически неравновесных характеристик рабочего тела во фронте пламени. После этого вызывается подпрограмма WREAC для считывания и обработки информации о кинетических механизмах из файла INDAW.
Далее исполняется кинетический модуль FKINET, который является основным блоком программы "FRONT" и служит для определения параметров фронта пламени предварительно перемешанных реагентов. Блок-схема модуля FKINET приведена на рис.4.5. Все подпрограммы, за исключением базового комплекса (OQS, КОМР, KOR21, РСНК21) являются оригинальными для ПК "FRONT". В кинетическом блоке последовательно исполняются следующие подпрограммы:
Подпрограммы OQS и КОМР служат для формирования вспомогательных массивов веществ и реакций.
В подпрограмме FBEGIN происходит считывание исходных данных и определение начального состава газовой смеси (подпрограммы SMESH, ENTEM, PODWOD).
Подпрограмма RECUP формирует массив данных для проведения расчета при очередном приближении U/Q. ИЗ П/П RECUP происходит обращение к подпрограмме KOR21, предназначенной для вычисления констант скоростей обратных направлений обратимых химических реакций.
Далее из подпрограммы FKINET вызывается блок подпрограмм FSYM1, предназначенный для подготовки и осуществления очередного шага интегрирования системы уравнений. Блок-схема FSYM1 представлена на рис.4.6 и включает в себя подпрограммы TPUT, KOR21, FPCHD, FKOHC, FKF, FKFD, MATRX, FNJUT.
Подпрограмма TPUT служит для расчета опорных значений термодинамических функций Iion, срп, Sion в трех точках температурных интервалов (Топ-ЮО), Топ, (Топ+100).
В подпрограмме FKOHC вычисляются величины, значения которых в процессе итераций на шаге интегрирования меняются незначительно.
Подпрограмма FPCHD предназначена для вычисления правых частей основных уравнений. При этом происходит обращение к процедуре РСНК21, в которой определяются правые части дифференциальных уравнений химической кинетики.
Программные модули FKF и FKFD служат для вычисления элементов матрицы Якоби.
