Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы моделирования сложных реагирующих течений 6
1.1. Принципы построения математических моделей 6
1.2. Двухфазные турбулентные течения 9
1.3. Испарение капель жидкости 13
2. Комплексное моделирование рабочих процессов в камерах сгорания 23
2.1. Схемы физико-химических процессов и структура комплексной модели 23
2.2. Кинетическая многореакторная модель и алгоритм решения 28
2.3. Краткое описание базового программного обеспечения 39
3. Моделирование реагирующей среды 44
3.1. Представление сложных углеводородных горючих в виде их многокомпонентных аналогов 44
3.2. Моделирование химического взаимодействия при горении углеводородов 47
3.3. Расчет скорости нормального горения перемешанной смеси 63
3.4. Апробация моделей реагирующих систем 71
4. Моделирование и исследование реагирующего газожидкостного течения при наличии зоны обратных токов и испарении капель многокомпонентной жидкости 92
4.1. Физическая схема процессов и структура математической модели 92
4.2. Апробация комплексной модели 113
4.3. Численные исследования реагирующего течения в камере сгорания парогазогенератора 127
5. Моделирование и исследование процессов в камере сгорания теплогенератора 170
5.1. Способы снижения выбросов вредных веществ при сжигании природного газа 170
5.2. Схема процессов в камере сгорания теплогенератора 172
5.3. Исследование влияния конструкционных и режимных параметров на эффективность рабочего процесса 176
6. Моделирование процесса сгорания в цилиндре ДВС 202
6.1. Физическая схема и математическая модель процесса горения 202
6.2. Результаты численных исследований 206
Заключение 230
Список литературы .
- Двухфазные турбулентные течения
- Кинетическая многореакторная модель и алгоритм решения
- Моделирование химического взаимодействия при горении углеводородов
- Численные исследования реагирующего течения в камере сгорания парогазогенератора
Введение к работе
Разработка ресурсосберегающих технологий сжигания топлив, повышение требований к надежности конструкций и увеличению их ресурса, снижение выбросов вредных и загрязняющих соединений в продуктах сгорания, получение оптимальных показателей рабочих процессов, повышение степени их завершенности приводит к необходимости теоретического анализа процессов, связанных с преобразованием энергии топлива в камерах сгорания (КС) тепловых двигателей (ТД) и энергоустановок (ЭУ).
Эффективным методом исследования рабочего процесса в КС является численное моделирование. Модели рабочих процессов широко используются для интерпретации измерений, оценки новых идей, исследования работоспособности двигателей и энергоустановок в области экстремальных режимных параметров, расширения представлений о протекании процессов, поиска новых и совершенствовании известных способов организации горения с целью достижения максимальных энергетических показателей при снижении вредных выбросов в окружающую среду.
В настоящее время невозможно эффективно совершенствовать КС без детального представления химии горения, это приводит к необходимости создания моделей, учитывающих тепломассообмен и кинетику реакций. Разнообразие способов организации горения обуславливает необходимость создания базовых моделей, на основе которых могут быть оперативно сформированы комплексные модели для конкретных технических устройств. Применение топливных композиций, имеющих различный элементный состав, приводит к необходимости создания моделей, инвариантных относительно набора веществ и кинетического механизма. В определенной степени развитие моделей сдерживается недостатком надежных кинетических данных, например, для моделирования горения сложных углеводородных соединений,
образования и разложения токсичных веществ, горения альтернативных топлив и т.д.
Непрерывно возрастающие требования к адекватности физических схем и математических моделей реальным процессам, необходимость решения множества задач при создании высокоэффективных ТД и ЭУ определяют высокую актуальность проблемы дальнейшего развития методов численного моделирования процессов в камерах сгорания.
Основные цели диссертационной работы: развитие методов численного моделирования процессов в КС на основе учета взаимосвязанных явлений тепломассообмена и кинетики горения; развитие базового математического обеспечения, программная реализация методов расчета, разработка схем рабочих процессов и формирование, включая использование базового математического обеспечения, моделей и программ для численного исследования процессов в реальных КС различного назначения.
В первой главе рассматривается состояние проблемы, проводится анализ теоретических методов, применяемых для численного моделирования и исследования процессов в КС ТД и ЭУ.
Во второй главе приведены общие схемы физико-химических процессов в типичных КС ТД и ЭУ, описан принятый подход к комплексному моделированию рабочих процессов, представлена основная система уравнений, описан алгоритм решения и даны сведения о программном обеспечении.
Третья глава посвящена моделированию реагирующей среды. В этой
главе: приведен подход к представлению данных о многокомпонентных
углеводородных горючих; приведены сформированные кинетические
схемы горения углеводородных соединений; приведены схемы
химического взаимодействия в системах N-C-H-0; рассматриваются процессы образования и выгорания сажи; представлены результаты
расчетов, ориентированных на проверку и уточнение сформированных кинетических схем.
В четвертой главе приведены: описание разработанной
комплексной модели для расчета процессов в камере сгорания, входящей в
состав парогазогенератора; алгоритм решения задачи; результаты
тестирования комплексной модели; результаты численных исследований, выполненных с целью изучения влияния режимных и конструкционных параметров на изменение параметров продуктов сгорания и завершенность рабочего процесса в целом.
В пятой главе приведены основные результаты по моделированию и численному исследованию процессов в камере сгорания теплогенератора, входящего в состав установки для нагрева воздуха. Основной целью исследований было определение режимных и конструкционных параметров КС, при которых достигаются максимальная полнота преобразования энергии топлива и минимизируются вредные выбросы.
В шестой главе приведено описание схемы и математической модели процесса сгорания цилиндре ДВС с искровым зажиганием. Основное внимание уделяется процессам химической и термической ионизации, взаимосвязи этих процессов с изменением параметров рабочего тела.
Автор выражает благодарность академику РАН, доктору технических наук, профессору В.К.Алемасову за ряд замечаний и предложений, способствовавших улучшению качества работы.
Автор благодарен чл.-корр. АН РТ, доктору технических наук профессору А.Ф.Дрегалину за помощь в выборе научного направления и ценные рекомендации при выполнении работы.
Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору В.И.Наумову.
Автор глубоко признателен доктору технических наук Т.М.Магсумову, принимавшему непосредственное участие в обсуждении основных результатов работы.
Двухфазные турбулентные течения
Турбулентные двухфазные течения относятся к сложному типу течений, характеристики которых обусловлены взаимодействием многих факторов. Газодинамика таких течений имеет ряд особенностей, обусловленных воздействием конденсированной фазы (капель жидкости) на осредненное и пульсационное движение. Характеристики двухфазных течений зависят от концентрации частиц, их массы, газодинамических свойств, а также других факторов, учитывающих условия истечения и физико-химические свойства взаимодействующих фаз.
Разработка полной теории турбулентных двухфазных течений в настоящее время далека от своего завершения. Различным вопросам гидромеханики и теплофизики турбулентных течений газовзвеси посвящены многочисленные исследования, среди которых следует отметить [1, 2, 13, 14, 15, 22, 23, 46, 51, 54, 63, 65, 79, 104, 105, 122, 203 и ДР-] Малоизученным остается круг задач, связанных с турбулентными двухфазными течениями, характерными для тепловых двигателей и энергоустановок, сопровождающимися тепломассообменом между фазами, химическими реакциями и другими явлениям. Построение математических моделей турбулентных двухфазных течений обычно начинается с формирования исходной системы уравнений переноса массы, импульса и энергии. Затем осуществляется переход к уравнениям для осредненных величин, а для замыкания системы необходимо получить уравнения переноса характеристик турбулентности. Переход от исходной, системы уравнений динамики двухфазной среды к уравнениям для осредненных величин обычно осуществляется так же, как в случае однофазной среды с помощью процедуры Рейнольдса. Для замыкания системы уравнений необходимо выразить все корреляции, содержащиеся в уравнениях, через осредненные параметры. В настоящее время часто используются два способа построения моделей турбулентности: на основе теории пути смешения и на основе уравнений переноса пульсационных характеристик несущей среды. В моделях на основе теории пути смешения обычно используются представления полуэмпирической .теории турбулентности Прандтля. Модели, построенные вторым способом, являются более физичными и обоснованными.
Вычислительные методы для решения построенных моделей обычно разделяют на интегральные и дифференциальные. Интегральные методы основаны на преобразовании дифференциальных уравнений в частных производных в обыкновенные дифференциальные с помощью интегрирования поперек течения. В интегральных методах необходимо привлечение дополнительных эмпирических или полуэмпирических соотношений для определения профиля скорости и других локальных параметров. Дифференциальные методы основаны на решении дифференциальных уравнений в частных производных с использованием конечно-разностных или конечно-элементных аналогов. Следует отметить, что разработка и широкое применение дифференциальных методов не ограничивает развития интегральных методов. Являясь достаточно простыми, интегральные методы позволяют удовлетворительно прогнозировать параметры двухфазных течений.
Интегральный метод расчета двухфазной турбулентной струи, построенный на модели влияния дисперсной примеси на пульсационные скорости несущей среды [1, 2], описывает равновесное осредненное течение смеси. Два соотношения для избыточного импульса и избыточного расхода примеси в струе, интегральное соотношение энергии и его аналог для переноса примеси дополняются зависимостями профилей скорости и концентрации, описанных с помощью профиля Шлихтинга.
Кинетическая многореакторная модель и алгоритм решения
Вывод уравнений изменения параметров газовой смеси в реакционных объемах - нестационарных реакторах идеального смешения (ИРИС) - основан на законе сохранения массы и первом начале термодинамики для открытой системы с переменными массой и объемом. Предполагается, что поступающие в систему реагенты мгновенно перемешиваются с компонентами, уже находящимися в системе; химическое взаимодействие подчиняется основным положениям химической кинетики: закону действующих масс; все превращения происходят в виде независимых друг от друга элементарных реакций, и в целом представлены совокупностью таких элементарных реакций.
При записи уравнения изменения массы газовой смеси в реакторе z используется схема массообменных процессов, приведенная на рис.2.3. Принятые обозначения в данной схеме: X i .z Т,г,!1 z-\,zy z z-\ z + 1 z z г+І " МаССОВЫе раСХОДЫ ГаЗОВОЙ .У S смеси, характеризующие массообмен реактора z с другими реакторами и внешней средой (индекс s обозначает как внешние объекты, так и другие НРИС, кроме z-1 и z+1, граничащие с реактором z); Ції} 1 X f J ї rf 2 й + г w/ z+1- массовые расходы какого .У .У либо индивидуального компонента і (организованный массоподвод, процессы диффузии и др.); Yjk,z X A.z " массовые расходы дисперсной фазы в реактор z и из него, к " к соответственно.
В соответствии с принятой схемой уравнения изменения массы газовой смеси Mz для каждого реактора имеют вид Уравнение температуры газовой смеси в реакторе получено на основе известной формулы для энтальпии газовой смеси A = I Wl/V/ (2-6) і і где Ht- мольная энтальпия і-го компонента смеси; /лі,гі молекулярная масса и мольная доля і-го компонента, соответственно.
При выводе соотношения, связывающего температуру и энтальпию газовой смеси используется кусочно-линейная аппроксимация [72, 73, 24] //,.= Я,0"+ (7-- ), (2.7) где Нп - мольная энтальпия і-го компонента смеси при опорном значении температуры Тт , ближайшем к температуре смеси в реакторе Т, и отличающимся от нее не более, чем на ШОК; С0" - опорная мольная темплоемкость і-го компонента, равная среднему значению на интервале линеаризации.
При использовании (2.7) соотношение (2.6) принимает вид: h:=Y, in+C(p(Tzon) /Mz. (2.8) После простых преобразований получено уравнение температуры смеси в реакторе z; z on , v иоп Z і l HC rf O. (2.9) Для вычисления Hjm и С pi используются известные аппроксимирующие зависимости [102]: Я(7 а/+І ,(10-3Г) , (7-) = 10- (10-3 1. ы /=1
Вывод уравнений изменения состава газовой смеси приведен в [72, 73, 24], а предлагаемая в данной диссертационной работе запись уравнений отличается раздельным представлением составляющих для химических реакций и для массообменных процессов: dyz R Т -Iі- = -exp(v?)(1 v.fl + # - - ST ехр(-у? )) + 1(1 v П + ат l U J lz p lz l . : 4.) J J z 4 J +5; оУр2- ехрч2)) (2Л0) mJ PvrV-V „ VZ где Yk z oTzTJ exti-lyf) yf =-\nr?\j = 1,..., nr\ i, I, q = 1,..., n,; z =1,..., «,; n, - число индивидуальных веществ; rcr - число химических реакций; пг- число реакторов; ц;, щ - стехиометрические коэффициенты в химических реакциях; R- универсальная газовая постоянная; ,-константа скорости j-ой химической реакции; S ,ST- суммарные скорости подвода / - го вещества в реактор из различных источников и отвода, соответственно.
Для каждого реактора одно из уравнений (2.10) заменяется уравнением нормировки, которое используется для определения содержания вещества, имеющего наибольшую концентрацию Iexp(-y;) = l. (2.11)
Представленная форма записи уравнений (2.10) обусловлена необходимостью большей универсализации базовой модели, по сравнению с [72,73], и отражает специфические особенности многореакторной схемы, которые необходимо учитывать при создании наиболее эффективного алгоритма вычисления правых частей уравнений (2.10), определении аналитических выражений для частных производных этих уравнений и алгоритма их вычисления и др.
Выражение, определяющее суммарную скорость подвода і-го вещества, вносимого потоками газовой смеси из других граничащих реакторов или внешней среды (j-й источник), имеет вид S; = (т;.г/////К)-10" 1,[моль/см3с], (2.12) где г - мольная доля і-го вещества в газовой смеси, поступающей от источника].
Скорость индивидуального подвода і - го вещества, включая процессы испарения жидкой фазы, диффузии и др., определяется по формуле: S; = (т; ////,)-10-3, [моль/см3с]. (2.13)
Например, массовый расход і-го вещества, подвод которого обусловлен бинарной концентрационной диффузией, может быть определен по формуле [24] т; =рмДі7(гї -r?)F/(R0T{ytoc), (2.14) где F - площадь условной поверхности контакта, между реакторами 1 и 2; Ах - характерный линейный размер (например, расстояние между центрами реакторов); D l2, Tl]2 - осредненные значения коэффициента бинарной диффузии и температуры газа, соответственно.
Моделирование химического взаимодействия при горении углеводородов
Принятый при выполнении данной работы подход к формированию кинетических схем описан в монографии [24], где также приводятся субмехапизмы для моделирования горения простых (метан, этан, этилен, ацетилен) и высокомолекулярных (парафиновых, с числом атомов углерода от 10 до 16) углеводородов в воздухе. Реакции, входящие в субмеханизм, протекают относительно независимо от реакций, входящих в другие субмеханизмы, и характерны для различных реагирующих систем. Конкретная кинетическая схема может быть сформирована на основе нескольких субмеханизмов.
При выполнении данной работы формирование кинетических схем горения углеводородов проводилось на основе анализа работ [8, 9,58, 129, 132, 135, 137, 145, 166, 179, 180, 181, 185, 186, 187, 192, 193, 208,211, 214, 213, 217 и др.].
Механизм реакций окисления в системе С-Н-0 должен включать реакции окисления простых углеводородов С и С2 , а также реакции окисления (субмеханизмы) Н2, СО, Н2СО. К числу хорошо изученных относятся реакции окисления Н2 и СН4 [ПО]. В меньшей степени изучены механизмы окисления С2Н6, С2Н4, С2Н2.
С увеличением числа атомов в молекулах углеводородов резко возрастает число частиц, участвующих в реакциях, и число элементарных реакций. Соответственно становится меньше доля хорошо изученных химических механизмов. При моделировании горения сложных углеводородов из-за возрастания числа частиц и элементарных реакций увеличивается гипотетичность построенных детальных механизмов. Даже при моделировании горения какою-либо одного соединения (например, н-гептан, изооктан) детальный механизм, адекватно передающий явления, наблюдаемые при низкотемпературном и высокотемпературном окислении может содержать более 2000 - 3000 реакций с участием более 600 частиц.
Рациональным приемом, позволяющим создавать компактные кинетические схемы, в целом правильно отражающие действительные процессы, является представление начальной стадии горения и разложения сложных углеводородов с помощью кинетической схемы, близкой к детальному механизму и содержащей определяющие реакции. Такая схема, в зависимости от сложности реагирующей системы, может быть дополнена эмпирическими брутто-реакциями редуцирования, описывающими переход от сложных соединений (например, С7) к простым С и С2 , для описания горения которых, в свою очередь, применяется кинетическая схема, близкая к детальной и содержащая большинство определяющих реакций.
Одним из приемов, позволяющий сократить количество учитываемых элементарных реакций и частиц, является использование метода квазистационарных концентраций [35, 59]. Например, согласно этому методу, начальные стадии горения углеводородов метанового ряда нормального строения (CnH2n+2 , п 10) можно представить следующим образом [24].
Процесс горения на стационарном режиме при достаточно высоких температурах (больше 2000 К) характеризуется определяющим влиянием реакций взаимодействия исходных углеводородов с частицами О, ОН, Н: Cnlhn+2 +[0, Н, ОН] -»С„Н2ІИІ +[ОН, П2,Н20].
Образовавшиеся углеводородные радикалы, в свою очередь, взаимодействуют с 02 и ОН, в итоге происходит разрыв связи между атомами углерода, а в продуктах реакций появляются радикалы И02 и формальдегид И2СО.
Допуская, что на установившемся режиме горения, при непрерывном подводе исходных реагентов, концентрации промежуточных углеводородных радикалов являются квазистационарными, система кинетических уравнений упрощается с помощью метода квазистациоиарных концентраций. В результате в схеме процесса учитываются реакции исходных компонентов и их радикалов, а конечным на данной стадии продуктом является С2Н5. Соответствующие константы скоростей компенсируют атомарный дисбаланс в уравнениях реакций [24].
Дальнейшее упрощение системы кинетических уравнений преобразования исходных соединений СпН21+2 состоит в применении брутто-уравнений мономолекулярного распада С„Н2п+2 , СпН2„-,і на основе понятия лимитирующей стадии сложного химического процесса. В результате в качестве конечных продуктов распада учитываются частицы С21 Ь , С2Н4, С2М2, СН3.
Для углеводородов более сложного строения, по сравнению с метановыми, например, имеющими алициклическое или алкилароматическое строение, более обоснованным является подход, заключающийся в детальном учете начальной стадии горения и применении брутто-уравпений, для моделирования разложения сложных промежуточных соединений, как правило, имеющих малые концентрации, на простые углеводороды.
Численные исследования реагирующего течения в камере сгорания парогазогенератора
Объектом исследования является камера сгорания, входящая в состав парогазогенератора, разработанного на кафедре спецдвигателей Казанского государственного технического университета (ведущий автор Т.М.Магсумов). Парогазогенератор предназначен для получения рабочего тела, используемого для воздействия на нефтяные пласты с целью повышения их нефтеотдачи. Компонентами топлива являются воздух и углеводородное горючее (керосин, дизельное топливо и т.п.).
Целью численного исследования было изучение влияния режимов работы и геометрических параметров камеры сгорания на эффективность рабочих процессов.
Основными элементами камеры сгорания являются форсуночная головка и жаровая труба. Форсуночная головка скомплектована из форсунок типа сопла Лаваля, что позволяет минимизировать воздействие колебаний давления в нефтяном пласте на процесс горения. Подвод жидкого компонента осуществляется в область минимального сечения проточной части. Физическую картину процесса смесеобразования можно представить следующим образом. В сужающейся части форсунки газообразный компонент ускоряется до критической скорости в минимальном сечении. Торможение потока происходит в расширяющейся части форсунки с высокой степенью восстановления давления. Переход потока в докритический режим осуществляется без скачка уплотнения. Струя жидкости, поступающая в область течения с положительным градиентом давления в некотором сечении расширяющегося канал, разбивается на капли.
Реализация больших относительных скоростей в области разрушения жидкой струи способствует мелкодисперсности распыливания.
Экспериментальные исследования характеристик распыливания форсунки такого типа (Шабалин И.Н., КГТУ) привели к следующим выводам.
Применение данных форсунок дает стабильность параметров двухфазной струи при регулировании производительности в достаточно широком диапазоне. По сравнению с центробежными форсунками они обеспечивают более равномерный и однородный распыл. Число капель с диаметром, равным средне-объемному, составляет 70% от общего количества. Размер капель dk= 20 мкм является предельным для данной форсунки и уровня скоростей компонентов.
Экспериментальные данные по спектру распыла были использованы при проведении расчетов. Для трех групп капель размеры и доля массового расхода составляли соответственно: ,=10 мкм -10%; d2 =20 мкм - 70%; d3 70 мкм - 20%.
Определяющее значение при выполнении численных исследований имеют данные по составу и свойствам многофракционного горючего.
Керосины являются смесью различных углеводородов с небольшим количеством гетероорганических соединений, содержащих азот, серу и кислород. Среди углеводородов присутствуют алкановые структуры, циклановые и ароматические.
Алкановых структур в керосинах содержится 33-61%, циклановых - 21 - 45%, ароматических - до 20% [112]. В целом химический состав горючего зависит от состава нефти и методов ее переработки. Например, в керосинах, полученных из приволжских нефтей, большое содержание алкановых углеводородов [82]. Содержание углеводородов различных структур, за исключением ароматических, обычно не нормируется.
Количественное содержание углеводородов характеризуется фракционным составом.
Расчет испарения капель сложной жидкости с осредненными свойствами, как правило, не отражает реальной картины явления, когда пары более легких компонентов поступают в газовую смесь раньше более тяжелых компонентов. Поэтому для проведения численных исследований в данной работе предлагается модельный аналог керосиновой фракции, имеющий соответствующие приближенные характеристики (состав, свойства). Учет фракционности горючего осуществлялся подбором индивидуальных веществ, имеющих свойства, близкие к свойствам фракций. Предлагаемый многокомпонентный аналог керосина состоит из 7 веществ, представляющих углеводороды метанового ряда нормального строения. Количественное содержание компонентов принимались по осредненным данным перегонки. Состав горючего (в объемных долях) и некоторые из свойств [16] приведены в таблице 4.3.
При эксплуатации камеры сгорания в составе парогазогенератора предусматривается регулирование его параметров в широком диапазоне. Один из режимов работы камеры сгорания (производительность 0.28 кг/с, давление 3,5 МПа) был принят в качестве основного. Значение коэффициента избытка окислителя аок на опорном режиме принято равным 1,0.
