Методика определения эмиссии оксидов углерода камерами сгорания газотурбинных двигателей с использованием детальной химической кинетики окисления суррогатов керосина Матвеев Сергей Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Анализ современного состояния вопроса 11

1.1 Экологические характеристики камер сгорания и подходы к их моделированию. 12

1.2 Методы расчёта экологических характеристик камер сгорания Газотурбинных двигателей 1.2.1 Полуэмпирические модели 23

1.2.2 Моделирование образования вредных веществ в трёхмерной постановке 31

1.2.3 Реакторные модели 38

1.3 Детальные кинетические механизмы окисления суррогата керосина. 42

Заключение к первой главе 48

Глава 2 Экспериментальные установки 50

2.1 Установка для измерения нормальной скорости распространения пламени 50

2.1.1 Методика определения нормальной скорости распространения пламени для суррогата керосина 55

2.1.2 Разработка программного продукта для автоматизации определения нормальной скорости распространения пламени методом нулевого теплового потока 58

2.2 Высокотемпературная установка по изучению процессов горения в модельных камерах сгорания 63

2.2.1 Расчет участка предварительной подготовки смеси .69

2.2.2 Модель камеры сгорания с уголковым стабилизатором 73

2.2.3 Модель диффузионной одногорелочной модельной камеры сгорания 74

2.2.4 Анализ точности измерения стендовых параметров 76

2.2.5 Измерение скорости потока 81

2.2.6 Измерение концентрации продуктов сгорания 84

Заключение ко второй главе 89

Глава 3 Расчетно-экспериментальное исследование рабочего процесса в модельной камере сгорания при сжигании природного газа 90

3.1 Математическая модель и определение граничных условий 92

3.2 Геометрическая и сеточная модели исследуемой камеры сгорания 100

Заключение к третьей главе 112

Глава 4 Расчетно-экспериментальное исследование процесса горения суррогата керосина 114

4.1 Определение нормальной скорости распространения пламени бензола, н-декана и их смеси 115

4.2 Моделирование характеристик оксидов углерода в модельной камере сгорания, работающей на суррогате керосина. 131

Заключение к четвёртой главе 133

Глава 5 Методика определения оксидов углерода в камерах сгорания газотурбинных двигателей 135

5.1 Расчётно–экспериментальное исследование образования оксидов углерода в модельной одногорелочной камере сгорания 136

5.2 Методика определения эмиссионных характеристик камер сгорания ГТД 143

Заключение к пятой главе 147

Заключение 149

Условные обозначения 151

Список литературы 153

• Полуэмпирические модели
• Разработка программного продукта для автоматизации определения нормальной скорости распространения пламени методом нулевого теплового потока
• Определение нормальной скорости распространения пламени бензола, н-декана и их смеси
• Расчётно–экспериментальное исследование образования оксидов углерода в модельной одногорелочной камере сгорания

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Одной из основных глобальных проблем человечества является восстановление и улучшение среды его обитания. Одним из основных источников загрязнения окружающей среды являются транспортные системы, в частности, авиационные газотурбинные двигатели (ГТД). Международной организации гражданской авиации (ICAO) установлены нормы на ограничение эмиссии оксидов азота (NO_X), оксидов углерода (СО), несгоревших углеводородов (C_XH_Y) и дыма. При этом планируется последовательное ужесточение принятых норм, в том числе по выбросам NO_X: к 2030 г. – на 60% (по отношению к нормам 2008 года).

Камера сгорания (КС) является основным узлом газотурбинного двигателя, определяющим его экологические характеристики. В настоящее время проблемы обеспечения экологических характеристик ГТД, в основном, решаются за счёт применения полуэмпирических методик и экспериментальной доводки опытных образцов. Такой подход отличается повышенной трудоемкостью и низкой информативностью внутрикамерных процессов, что не позволяет обеспечить выполнение перспективных норм ICAO.

Перспективные методы расчёта характеристик турбулентного горения углеводородных топлив основываются на совместном решении нестационарных уравнений газовой динамики и детальной химической кинетики методами прямого численного моделирования (DNS). Однако, в настоящее время в такой постановке решение задач применительно к камерам сгораниям ГТД не может быть реализовано, из-за ограниченных возможностей вычислительной техники. Решение этой проблемы видится в применении комбинированных методов, заключающихся в достаточно точном решении каждой подзадачи в отдельности и объединении их в единый алгоритм. При этом моделирование химической кинетики невозможно без использования детальных и редуцированных реакционных механизмов, для формирования которых необходимо знать точный состав исходного топлива.

Основным топливом ГТД является авиационный керосин, состоящий из десятков индивидуальных углеводородных компонентов. Его состав может изменяться в зависимости от месторождения сырья и производителя топлива. Поэтому для численного моделирования необходимо иметь смесь известного состава, состоящую из ограниченного количества химических компонентов и воспроизводящую основные свойства реального топлива. Такие смеси называют суррогатами. Создаваемый кинетический механизм окисления суррогата должен моделировать необходимые физико-химические свойства процесса горения керосина в камере сгорания ГТД.

Таким образом разработка методики определения эмиссии вредных веществ на основе детальной химической кинетики окисления суррогата керосина является актуальной.

Степень разработанности темы. В разработку полуэмпирических методов прогнозирования экологических характеристик КС ГТД значительный вклад внесли Мингазов Б.Г., Митрофанов В.А., Lefebvre A.H., Martin W. T., Sullivan D. A., Odgers J., Lewis G. D. и другие.

Основным недостатком этих методов является то, что их применимость ограничена эмпирическими коэффициентами, которые зависят от конструкции КС и условий проведения экспериментов, для которых проводилось обобщение.

Комбинированные методы расчёта характеристик КС с использованием в качестве топлива как керосина, так и его суррогатов, основанные на численном моделировании газовой динамики в трехмерной постановке и химической кинетики процессов горения на базе реакторных моделей активно развиваются в настоящее время. Существенный вклад в совершенствование этих методов внесли: Захаров В.М., Старик А.М., Куценко Ю.Г., Poinsot T., Lee K. B., Langwell J.P., Zimont V. и другие. Однако, отсутствие в известной литературе экспериментальных данных по горению суррогатов керосина в моделях реальных камер сгорания, а также недостаточное исследование фундаментальных характеристик процессов горения суррогатов не позволяет в полной мере верифицировать и обосновать надежность разрабатываемых комбинированных методов.

Цель работы: Разработка методики определения эмиссии оксидов углерода камерами сгорания газотурбинных двигателей с использованием детальной химической кинетики окисления суррогатов керосина на основе обобщения расчётно-экспериментальных исследований.

Задачи работы:

1. Разработка и создание комплекса экспериментальных установок и моделей для исследования процессов горения суррогатов керосина.

2. Расчётно-экспериментальное исследование по влиянию состава и температуры смеси на нормальную скорость распространения пламени суррогата керосина. Выбор и обоснование детального кинетического механизма окисления суррогата керосина.

3. Расчётно-экспериментальное исследование процессов горения и образования вредных веществ в модельной КС с уголковым стабилизатором пламени при сжигании газообразного топлива и суррогата керосина.

4. Разработка и валидация комбинированной методики определения эмиссии оксидов углерода модельной камерой сгорания с использованием детальной химической кинетики окисления суррогата керосина.

Объект и предмет исследования. Объект исследования – процессы горения и образования вредных веществ, происходящие в КС ГТД при горении жидкого и газообразного топлива. Предмет исследования – методика определения экологических характеристик камеры сгорания с использованием детальной химической кинетики окисления топлив.

Научная новизна:

5. Получена зависимость нормальной скорости распространения пламени в смеси н-декан/бензол/воздух от её начальной температуры и состава.

6. Проведены выбор и обоснование детального кинетического механизма окисления суррогата керосина, состоящего из н-декана и бензола, на основе анализа чувствительности нормальной скорости распространения пламени к изменению констант скоростей элементарных реакций.

7. Получены новые экспериментальные данные по образованию оксидов углерода (СО), несгоревших углеводородов (C_XH_Y), диоксида углерода (СО₂) при горении суррогата керосина, состоящего из н-декана (80%) и бензола (20%), в модельной камере сгорания при изменении скорости, температуры и состава топливовоздушной смеси на входе в КС.

4. Разработана новая методика, позволяющая определять эмиссию оксидов

углерода КС ГТД, основанная на комбинации расчётов в трёхмерной постановке и в моделях цепи реакторов с использованием детальной химической кинетики.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в обосновании и валидации детального кинетического механизма окисления двухкомпонентного суррогата керосина (н-декан/бензол) и разработке комбинированной методики определения эмиссии вредных веществ, позволяющей повысить эффективность процесса проектирования и доводки камеры сгорания ГТД.

Практическая значимость результатов работы заключается в разработке методики, позволяющей оценивать выбросы вредных веществ на стадии проектирования и доводки перспективных малоэмиссионных камер сгорания различных типов.

Результаты диссертации нашли практическое применение при выполнении исследований в рамках Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы" по Соглашению № 14.587.21.0033 от 28 июля 2016 г. о предоставлении субсидии (уникальный идентификатор проекта RFMEFI58716X0033), а также 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 РФ) на основании постановления Правительства РФ №218 от
09.04.2010).

- «Создание эффективных технологий проектирования и
высокотехнологического производства газотурбинных двигателей большой мощности
для наземных энергетических установок» (договор с ОАО «Кузнецов» от 15.02.2013
г. № 27/13 при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации
(Минобрнауки РФ) на основании постановления Правительства РФ №218 от
09.04.2010). 2013 ГОД

- «Определение нормальной скорости распространения пламени суррогата
керосина с добавками биотоплива», получившему поддержку по результатам
Конкурса на выделение Гранта РФФИ за счёт средств целевой субсидии из
федерального бюджета на финансовое обеспечение научных, научно-технических
программ и проектов, предоставленной Фонду на 2016 г. (Протокол № 10(180) от
28.10.2016 г.).

Методы исследования:

8. Методы одномерного моделирования скорости распространения ламинарного пламени в зависимости от состава и температуры реагентов с использованием редуцированного кинетического механизма окисления метана (GRI-Mech 3.0) и детального кинетического механизма окисления жидких, предварительно испарённых углеводородных топлив (PoliMi de Milano).

9. Методы моделирования течений топливовоздушной смеси в трёхмерной стационарной и нестационарной постановках на основе осреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса.

10. Методы моделирования горения топливовоздушной смеси с помощью цепи реакторов при использовании детальной химической кинетики.

4. Экспериментальное определение эмиссионных характеристик модельных

камер сгорания, работающих как на жидком, так и на газообразном топливе, при различном режиме работе.

Положения, выносимые на защиту:

11. Зависимость нормальной скорости распространения пламени при горении суррогата керосина, состоящего из н-декана (80%) и бензола (20%) от температуры и состава смеси.

12. Результаты обобщения экологических характеристик (СО, C_XH_Y) модельной камеры сгорания при горении суррогата керосина (н-декан / бензол).

13. Результаты обоснования и тестирования детального кинетического механизма окисления суррогата керосина, состоящего из н-декана и бензола.

14. Методика определения выбросов оксидов углерода КС ГТД, основанная на комбинации расчётов в трёхмерной постановке и в моделях цепи реакторов с использованием детальной химической кинетики окисления суррогата керосина.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

применением сертифицированного программного комплекса Chemical
WorkBench (Россия), верифицированного на задачах определения термохимического
состояния газовых смесей;

применением сертифицированного коммерческого программного комплекса
ANSYS Fluent 17.0 (США), верифицированного на задачах расчёта газодинамических
реагирующих течений по результатам сравнения с экспериментальными данными,
полученными в научно-образовательном центре газодинамических исследований
Самарского университета;

использованием в экспериментальном исследовании аттестованного и
поверенного измерительного оборудования;

высоким уровнем согласования результатов численного моделирования с
данными, полученными в ходе экспериментальных исследований в модельных
камерах сгорания.

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.); «ASME Turbo Expo 2015: Turbomachinery Technical Conference & Exposition» (Монреаль, 2015 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, 2015 г.), «ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference & Exposition» (Сеул, 2016 г.); Международном симпозиуме «7th International Symposium on nonequilibrium processes, plasma, combustion and atmospheric phenomena (NEPCUP 2016)», (Сочи, 2016 г.); Международном молодёжном форуме «Будущее авиации и космонавтики за молодой Россией» (АВИАМАКС-2017, г. Жуковский).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 статьи в периодических изданиях, включённых в список ВАК РФ, и 6 статей в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 181 наименований. Основной текст содержит 175 страниц, 67 иллюстраций и 10 таблиц.

Полуэмпирические модели

Расчёт полноты сгорания

Одной из первых работ, посвящённых обобщению характеристики полноты сгорания в камере сгорания, можно считать работу [137]. В ней экспериментально исследовалась полнота сгорания при сжигании различных топлив (природный газ, пропан, этилен, водород) в индивидуальной КС, работающей по схеме с богатой первичной зоной. Исследования проводились для различных давлений и температур. Полученные данные обобщались в виде функции

Поскольку исследуемая камера сгорания работает по схеме богато-бедного горения (RQL), то использование максимальной скорости распространения пламени Sm является обоснованным, так как в этом случае всегда существуют стехиометрические поверхности и SL принимает максимальное значение. Из недостатков работы стоит отметить отсутствие какой-либо привязки к геометрии КС и ограниченность её применения только для КС, работающих по схеме RQL. В современных малоэмиссионных камерах сгорания, работающих по схеме LPP, стехиометрические фронты пламени могут отсутствовать. Поэтому для камер сгорания типа LPP использование максимальной скорости распространения пламени Sm является некорректным. Таким образом, представленное выражение можно применять для грубой оценки полноты сгорания на этапе эскизного проектирования или для оценки влияния режимных параметров.

Для обобщения характеристик КС по полноте сгорания наибольшее распространение получил так называемый параметр форсирования, определяемый как [8]

При проектировании новой камеры сгорания данное выражение позволяет оценить различные прототипы и выбрать наиболее подходящий под новые условия. Однако для определения подобного вида функции в каждом конкретном случае необходим достаточный объём экспериментальных данных.

В работе [4] на основании обобщения материалов исследования камер сгорания различных двигателей получено выражение для описания связи полноты сгорания топлива с индексом эмиссии СО и НС в зависимости от режимных и конструктивных параметров

В большинстве работ, посвящённых обобщению характеристик камер сгорания по полноте сгорания, используется так называемый параметр форсирования или аналогичные ему. Однако определение полноты сгорания с точностью, необходимой для современных двигателей (десятые и сотые доли процента), с помощью таких зависимостей не представляется возможным. Также стоит отметить, что большинство зависимостей были сформулированы для камер сгорания с богатой первичной зоной, тогда как для уменьшения выбросов оксидов азота необходимо её обеднение. Поэтому полуэмпирические зависимости могут быть использованы для предварительной оценки полноты сгорания на этапе эскизного проектирования с последующим уточнением с помощью экспериментальных методов или методов численного моделирования.

Расчёт выбросов СО и СХНУ

Для определения концентрации СО на выходе из КС в работе [4] представлено выражение, основанное на взаимосвязи основных режимных и конструктивных характеристик

Другим подходом является использование зависимостей, предложенных в работах [130,131], которые позволяют оценить уровень выбросов СО и СХНУ при известном значении выбросов NOx в зависимости от режима работы двигателя. Аналогичный подход, основанный на обработке статистических данных о газодинамическом и экологическом совершенствовании высокоэффективных газотурбинных двигателей и их камер сгорания, представлен в работе [7].

Конструктивными параметрами, определяющими образования СХНУ , а также дыма, являются: отношение площадей жаровой трубы в миделевом сечении и суммарной эффективной площади отверстий ж/Х/ ож; интенсивность крутки завихрителя как функция его геометрической характеристики и представляющая собой отношение средних по сечению тангенциальной и осевой составляющих скорости на выходе из завихрителя W = — = f(A); относительная пропускная способность завихрителя ЖТ fiF3 = fiF3/Yj F,0yK; количество форсунок, приходящихся на площадь поперечного сечения жаровой трубы NF/F- . Н основании обобщения данных по исследованию камер сгорания двигателей получены зависимости эмиссии

СхНу и числа дымности (SN) от режимных и конструктивных параметров [4]

Расчёт выбросов NOx

Обобщению выбросов NOx в камерах сгорания ГТД посвящено множество работ. Так, в работах [139,160] приведены обзоры существующих полуэмпирических зависимостей для расчёта выбросов NOx .

Из анализа представленных формул можно сделать следующие выводы [23]:

- все они содержат экспоненциальную или степенную зависимость от температуры (ТК), степенную зависимость от давления (РГ), при этом значения степени у различных авторов отличаются в несколько раз;

- выбросы NOx обратно пропорциональны расходу смеси (), а следовательно, прямо пропорциональны времени пребывания;

- существенную роль оказывает отношение расхода топлива к расходу воздуха (f/ci);

- все формулы содержат эмпирическую константу А, зависящую от геометрии камеры сгорания, вида топлива и других особенностей рабочего процесса.

В работе [111] представлена формула, позволяющая оценить изменение концентрации NOx на выходе из КС при изменении вида топлива, давления и температуры:

Индексы 1 и 2 обозначают данные для исходного и изменённого топлива соответственно.

В работе [4] на основе решения фундаментальных уравнений газовой динамики и горения, а также обобщения большого количества экспериментальных данных предложена следующая зависимость для расчёта индекса эмиссии оксидов азота (г/кг топл.): - жидкое топливо

Разработка программного продукта для автоматизации определения нормальной скорости распространения пламени методом нулевого теплового потока

Экспериментальное определение нормальной скорости распространения пламени методом нулевого теплового потока имеет ряд проблем, связанных с большим объемом данных и значительным количеством одновременно регулируемых параметров экспериментальной установки. Поэтому ручное управление экспериментальной установкой для определения нормальной скорости распространения пламени не представляется возможным. Решение данной проблемы находится в области АСНИ (автоматизированной системы научных исследований), одной из современных платформ которой является Lab VIEW [11].

Lab VIEW представляет собой программно-аппаратный комплекс на базе средств вычислительной техники, предназначенный для проведения научных исследований или комплексных испытаний образцов новой техники на основе получения и использования моделей исследуемых объектов, явлений и процессов. Главным преимуществом и удобством является то, что в Lab VIEW используется язык графического программирования, где алгоритм создается в форме, образующей так называемую блок-диаграмму. Таким образом применяется программирование потоков данных, т.е. последовательность выполнения операторов определяется не порядком их следования, а наличием данных на входах этих операторов, что позволяет им выполняться параллельно в произвольном порядке [51,161,164].

Целью разработанного программного продукта является автоматизация проведения экспериментальных работ на установке по определению нормальной скорости пламени путем мониторинга и автоматического управления основными процессами. Данная программа не только обеспечивает проведение измерений, но также дает возможность проанализировать измеренные величины, отобразить их на графиках и в отчетах.

Созданная в среде LabVIEW программа имеет ряд основных частей:

– лицевая панель, которая представляет собой интерактивный пользовательский интерфейс (рисунок 2.5).

– блок-диаграмма, которая является исходным программным кодом, созданным на языке графического программирования G (рисунок 2.6).

Главный экран программы состоит из различных модулей управления, которые являются средствами ввода данных со стороны пользователя. Также имеются элементы индикации – выходные данные из программы. Объекты на лицевой панели представлены на блок-диаграмме в виде соответствующих терминалов, через которые данные попадают от пользователя в программу и обратно. Для того чтобы задать поток данных между объектами или сформировать связь между ними, используются логические проводники (линии связи).

Также важную роль играет сбор или ввод/вывод данных (DataAcquisition – DAQ), который можно определить как процесс измерения реального сигнала и последующей передачи этой информации в ПК для обработки, анализа, преобразования и хранения. Например, термопара преобразует температуру в электрическое напряжение, которое считывается и измеряется при помощи аналого-цифрового преобразователя. Для взаимодействия с датчиками LabVIEW управляет различными платами ввода/вывода, что позволяет сохранять аналоговые входные сигналы. Для получения данных к каналу ввода подключается блок чтения показаний термопар, который снимает значения с каждой из 8 термопар, установленных на горелочной плите. Далее от каждой термопары, находящейся на различном расстоянии от центра плиты, подается сигнал, который преобразовывается в код, передаётся на ПК и преобразуется в численное значение температуры, которое отображается на главном экране.

При измерении термопарами температурный профиль плиты горелки имеет параболическую форму с центром симметрии на оси, который можно наблюдать на главном экране программы (рисунок 2.7). Для отображения температуры используется представленная ранее формула 2.1, в которой величина – называется параболическим коэффициентом (alpha) и является ключевым параметром метода.

Во время эксперимента, при сохранении состава и температуры предварительно подготовленной топливовоздушной смеси на входе в горелку, изменяется расход ТВС таким образом, чтобы коэффициент линеаризации alpha приблизился к нулевому значению. В этом случае над срезом горелки формируется стабильное плоское пламя, а скорость топливовоздушной смеси становится равной нормальной скорости распространения пламени (SL). В связи с имеющимися незначительными пульсациями расходов и температур достичь точного значения alpha = 0 не представляется возможным. Поэтому снимается некоторое количество точек, в окрестности нулевого значения alpha с последующей их интерполяцей для определения нулевого значения. На рисунке 2.8 изображено окно отображения изменения коэффициента линеаризации в зависимости от скорости истечения ТВС из горелки.

На рисунке 2.9 отображены заданные значения температуры, давления, коэффициента избытка топлива и скорости потока, на основании которых автоматически рассчитываются значения расходов (Set flows) топлива и окислителя, которые с помощью системы управления передаются на соответствующие расходомеры-регуляторы. В обратном направлении снимаются показания мгновенных значений соответствующих расходов (Measured).

Финальной частью программного продукта является сохранение экспериментальных данных. В главном окне программы указывается путь к файлу и его название. Сохранение производится в файл текстового формата, который включает в себя следующие данные: расстояние каждой термопары от центра, численное значение температуры, значение alpha, скорость газа, давление, коэффициент избытка топлива, установленные и полученные значения расходов топлива и окислителя. Обработка данных этого файла совершается в программном пакете MathLab.

Определение нормальной скорости распространения пламени бензола, н-декана и их смеси

Для решения задачи по определению зависимости SL от , а также выбора и верификации кинетической модели было проведено расчётно-экспериментальное исследование по определению нормальной скорости распространения пламени бензола, н-декана и их смеси.

Моделирование адиабатического, предварительно перемешанного одномерного пламени проводилось с использованием программного продукта ChemKin 4 [48]. В расчётном исследовании сравнивались три кинетических механизма: высокотемпературный детальный механизм (вер. 1412) [88,145], в котором содержится 14100 реакций и 451 компонент, высокотемпературный редуцированный [146], который содержит 1410 реакций и 121 компонент, а также механизм JetSurF 2.0 [170], содержащий 2163 реакции и 348 компонентов. В расчётах учитывалась тепловая диффузия, также проведено исследование сеточной независимости, которая была определена при количестве элементов сетки не менее 600 штук.

Эксперимент проводился на установке по определению нормальной скорости распространения пламени Heat Flux, которая подробно описана в главе 2. Перед проведением каждой серии экспериментов расходомеры были откалиброваны с помощью прибора BIOS Defense 530+, который имеет погрешность +/-1% и рассчитан на расходы 0,3...30 нЛ/мин. Калибровочная кривая закладывалась в разработанную в среде Lab View программу для определения нормальной скорости распространения пламени путем мониторинга и управления основными процессами, которая автоматически вводит поправки на расход окислителя.

В результате трех серий экспериментов были получены зависимости нормальной скорости распространения пламени для н-декана, бензола и их смеси (80%/20%) от коэффициента избытка топлива для различных начальных температур (Т) предварительно подготовленной топливовоздушной смеси. Окислителем являлся осушенный воздух, подаваемый в установку через фильтр тонкой очистки. Из-за низкого давления насыщенных паров н-декана проведение измерений при стандартных условиях не представлялось возможным. Поэтому эксперименты для смеси н-декан/воздух проводились при начальных температурах 338 и 358 К. По той же причине диапазон коэффициента избытка топлива ограничивался значениями (р = 0,7-1,3. Топлива (н-декан и бензол) были предоставлены Sigma-Aldrich Sweden AB с заявленной чистотой выше 99%. Режимные параметры для всех экспериментов представлены в таблице 4.1.

На рисунке 4.1 представлены расчётные и экспериментальные данные по нормальной скорости распространения пламени (SL) смеси н-декан/воздух при начальных температурах ТВС 338 К и 358 К. Погрешности экспериментов отмечены вертикальными и горизонтальными барами. Основными факторами, влияющими на погрешности измерений SL (вертикальные бары), являются:

– разброс температур по радиусу пластины горелки Heat Flux, регистрируемых 8-ю термопарами;

– погрешности в измерении расходов воздуха и топлива.

При температурах TK = 338 К и 358 К литературных данных для сравнения не найдено, в то же время результаты при TK = 358 K могут быть сопоставлены с измерениями, полученными в работе [107] при 360 К и с одной экспериментальной точкой из исследования, опубликованного в работе [91] при TK = 353 К. Для стехиометрического состава = 1,0 результаты, полученные в настоящей работе, на 2,5-4 см/с ниже, чем данные, взятые из статей [91,107].

Результаты расчётов показали, что высокотемпературный детальный кинетический механизм PoliMi [145] хорошо согласуется с полученными в настоящей работе экспериментальными результатами. Отклонение редуцированного механизма PoliMi [146] от детального незначительно в бедной области при (р 0,9 (а 1,1). Однако при (р 1 редуцированная модель даёт значения нормальной скорости распространения пламени на 3,5 см/с ниже. Результаты расчёта по механизму JetSurF 2.0 [170] показывает существенно заниженные результаты по скорости пламени во всем диапазоне исследуемых режимов.

Значительное количество литературных данных по измерению SL имеется для начальных температур ТВС 400 К и 403 К. Поэтому зависимость нормальной скорости распространения пламени, полученная выше, была использована для экстраполяции полученных экспериментальных данных до Тк = 400 К. Температурная зависимость SL описывается по эмпирическому степенному закону [157]

Как было показано в исследовании [50], расчёты на основе кинетических моделей хорошо воспроизводят зависимость от температуры. В настоящей работе для получения показателя степени был использован детальный высокотемпературный механизм PoliMi. С помощью формулы (4.1) получены два набора значений нормальной скорости распространения пламени при Тк = 400 К: первый при экстраполяции с 7# = 338 К, а второй при экстраполяции с 7# = 358 К. Эти результаты представлены на рисунке 4.2 вместе с экспериментальными данными, полученными авторами работ [53, 91, 95, 99, 107, 134, 154] и расчётами по трём исследуемым кинетическим механизмам. Экстраполированные значения хорошо согласуются при (р = 0,8... 1,2, в то же время в крайних значениях = 0,7 и 1,3 наблюдаются значительные расхождения. Для того чтобы оценить, вызвано ли это расхождение различными значениями показателя степени , была также осуществлена экстраполяция на основе расчётов по кинетическому механизму JetSurF 2.0. Полученные результаты оказались практически идентичными для обеох используемых кинетических механизмов, что согласуется с выводами работы [50], в которой отмечено, что значительные расхождения в расчётах значений нормальной скорости распространения пламени между JetSurF 2.0 и PoliMi, тем не менее, не влияют на определение показателя степени .

Рассчитанные в настоящей работе по формуле (4.1) данные для TK = 400К сравнивались с данными, полученными методом противоточных племён (зеленый цвет) [91,95,107,134], с помощью сферической бомбы (синий цвет) [53,99,154] и результатами моделирования с использованием кинетических механизмов: JetSurF 2.0 [170], детальный PoliMi [145], редуцированный PoliMi [146] (рисунок 4.2). Выявленные ранее тенденции (рисунок 4.1) также сохраняются и при TK = 400 К, например, минимальное расхождение с данными работы [91] наблюдается в области максимальных значений SL. В настоящей работе положение максимального значения нормальной скорости горения наблюдается при 1,1 и согласуется с результатами работ [99,107], а также с обеими используемыми моделями PoliMi. В то же время данные работ [91, 95, 134, 154] и расчётов с использование механизма JetSurF 2.0 определяют местоположение максимума SL при 1,05 (рисунок 4.2).

В целом экспериментальные результаты, полученные в настоящей работе, и расчёты с использованием детального механизма PoliMi [145] удовлетворительно согласуются с исследованиями методом противоточных племён [91, 95, 107, 134]. В то же время измерения в сферической бомбе [53, 99, 154] дают заниженные результаты, которые в большей степени соответствуют расчётам с использованием механизма JetSurF 2.0 [170]. Полученная разница может быть связана с методом линейной или нелинейной экстраполяции при обработке экспериментальных данных для определения SL (см. главу 2). Всё это согласуется с выводами работы [154], в которой были использованы оба метода и наблюдалось различие в значениях SL в пределах до 2 см/с. Максимальное расхождение результатов, полученных методом Heat Flux, в противоточных пламенах и сферической бомбе составило около 5 см / с при ф = 1,1.

Бензол-воздух

Данные по скорости нормального распространения пламени смеси бензол/воздух при атмосферном давлении и начальных температурах ТВС 298, 318, 338 и 358 K, полученные в настоящей работе, показаны на рисунке 4.3. Погрешности измерения SL были ниже ± 1 см/с.

В связи с нестабильным характером пламени над горелкой при определенных значения коэффициента избытка топлива процедура интерполяции для определения SL была возможна при Тк = 298 К для (р 1.2, при 318 К для (р 0.8 и при 338 К для (р = 0,6. В остальных случаях использовался метод экстраполяции. Тем не менее, осуществление процедуры интерполяции или экстраполяции при различных условиях не ухудшило общую согласованность данных.

Расчётно–экспериментальное исследование образования оксидов углерода в модельной одногорелочной камере сгорания

Для расчётно-экспериментального исследования была выбрана модельная индивидуальная КС с универсальной горелкой, спроектированная в работе [12], посвященной исследованию стабилизации пламени при горении частично подготовленной смеси газообразного топлива. В рамках настоящей работы модельная камера сгорания была модернизирована для работы на жидком топливе путём замены форсуночного блока (см. раздел 2.2.4). Конфигурация фронтового устройства и жаровой трубы была сохранена.

Серия экспериментов проводилась на высокотемпературной установке, которая подробна описана в разделе 2.2. На вход в камеру сгорания подавался подогретый осушенный атмосферный воздух. С помощью вытеснительной системы подачи топлива в топливную форсунку поступало жидкое топливо. Концентрации вредных веществ определялись на выходе из модельной индивидуальной камеры сгорания пятиточечным интегральным охлаждаемым пробоотборником с расположением точек отбора исходя из равенства площадей потока в выходном сечении модели. Эксперименты проводились при атмосферном давлении, температуре воздуха на входе в камеру сгорания TK = 423 К и суммарном коэффициенте избытке воздуха акс = 2,3. Перепад давления на камере сгорания оставался постоянным и был равен АРкс = 3%. В качестве топлива использовался керосин российской марки ТС-1 и двухкомпонентные суррогаты керосина на основе н-декана и бензола, представленные в таблице 5.1.

Экспериментальное определение эмиссии оксидов углерода из модельной камеры сгорания проводилось по следующей методике: Подготовка к эксперименту

1) В топливную емкость заливается жидкое топливо (ТС-1 или специально подготовленный суррогат керосина).

2) Топливная емкость нагружается инертным газом до давления 3-5 атм.

3) Подготавливается система отбора проб по методике изложенной в главе 2.

Методика проведения эксперимента

1) Подаём воздух на высокотемпературную экспериментальную установку и устанавливаем АPкс 3%.

2) Включаем подогреватель воздуха и устанавливаем температуру TK = 423 К на автоматическом регуляторе мощности подогревателя.

3) Проводим корректировку мощности подогревателя в зависимости от температуры воздуха на входе в камеру сгорания.

4) Мгновенный расход воздуха регистрируется расходомером-регулятором и передаётся на персональный компьютер.

5) Открываем кран подачи жидкого топлива и производим воспламенение ТВС с помощью выносной свечи зажигания.

6) По заданным для каждого вида топлива стехиометрическому соотношению (Lo) и коэффициенту избытка воздуха рассчитывается расход топлива для выбранного режима (акс = 2,3), который автоматически передается на кориолисовый расходомер-регулятор жидкого топлива.

7) В течение 3-5 минут работаем до установления стационарного режима.

8) Проводим отбор пробы интегральным пробоотборником на выходе из модельной камеры сгорания.

9) Закрываем подачу топлива.

10) Продуваем модельную камеру сгорания подогретым воздухом в течении 10-15 минут.

11) Закрываем подачу воздуха.

Результаты экспериментов по определению состава продуктов сгорания и температуры на выходе из модельной КС представлены на рисунке 5.1.

В результате экспериментального исследования были получены зависимости массовых концентраций СО2, CO, несгоревших углеводородов (CXHY) и полноты сгорания топлива (г}кс) от процентного содержания декана в суррогате. Так же на рисунках представлены результаты анализа проб при горении керосина ТС-1.

Из представленных данных по горению суррогатов керосина следует, что с уменьшением доли ароматических углеводородов (бензол) с 30% до 5% концентрация СО 2 падает с 0,091 до 0,085. Концентрации продуктов неполного сгорания топлива (CO, CXHY) монотонно падают при увеличении доли бензола в топливе, что соответственно приводит к росту полноты сгорания (rjKc). Последнее может быть связано с более низкой температурой испарения бензола, что приводит к более быстрому испарению капель топлива и соответственно улучшению эффективности горения.

При сравнении характеристик горения исследуемых суррогатов топлива и авиационного керосина ТС-1 установлено, что все суррогаты керосина показывают более высокие характеристики рабочего процесса в модельной камере сгорания. По полноте сгорания (г}кс) полученные результаты при горении суррогатов выше на 1,5-2%, чем при горении керосина, а соответственно концентрации продуктов неполного сгорания (CO, CXHY) ниже (рисунок 5.1).

Исследуемый суррогат состоит компонентов, имеющих более низкую температуру испарения и вязкость, чем авиационный керосин, в котором присутствуют более тяжелые углеводороды. Для оценки влияния состава топлива на характеристики распыливания было проведено специальное исследование по определению угла распыла и среднего диаметр капель при истечении керосина и суррогатов из экспериментальной форсунки, применяемой в модельной камере сгорания. Показано, что угол распыла при использовании керосина на 12 градусов меньше, а средний диаметр капель больше на 9%. Таким образом, при использовании керосина в модельной камере сгорания ухудшается качество подготовки топливовоздушной смеси, что и объясняет более низкую полноту сгорания топлива и соответственно более высокую эмиссию оксида углерода и несгоревших углеводородов.

Полученные экспериментальные данные в модельной индивидуальной камере сгорания были использованы для валидации разработанной методики определения оксидов углерода в камере сгорания при использовании детальной химической кинетики окисления суррогатов керосина.

В соответствии с разработанной методикой на первом этапе производится моделирование газовой динамики RANS подходом на режиме без подачи топлива, затем выполняется моделирование в LES постановке для формирования газодинамической структуры потока в камере сгорания с целью определения правильности задания граничных условий и решения задач по сеточной независимости. Этот этап верифицирован на исследуемой модельной камере сгорания в работе [12]. Далее сформированное распределения ТВС поджигалось и проводился расчёт на режиме с горением топлива с помощью модели горения flamelet и использованием редуцированного механизма PoliMi [146]. В качестве топлива для расчётов использовался суррогат № 4, состоящий из н-декана (80%) и бензола (20%). Выбор данного топлива обусловлен тем, что именно для него была рассчитана нормальная скорость распространения пламени, а также верифицирована методика по определению оксидов углерода в модельной камере сгорания с уголковым стабилизатором пламени (см. главу 4). В результате расчётов было получено распределение температуры по объему модельной индивидуальной камеры сгорания (рисунок 5.2)