Численное моделирование распада топливной плёнки в низкоперепадной форсунке высокоресурсного авиационного двигателя
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.1.3Ключевые слова:
низкоперепадная форсунка, распыл топлива, метод объёма жидкости, осесимметричное закрученное течение, авиадвигатель, численное моделированиеАннотация
С помощью метода объёма жидкости в приближении осесимметричного закрученного течения исследовано разрушение плёнки керосина в низкоперепадной центробежной топливной форсунке в случае работы авиадвигателя на крейсерском режиме. Моделирование эволюции системы проведено с использованием неосреднённых по Рейнольдсу нестационарных уравнений течения вязкой жидкости на сетках с разным размером ячейки (0,78125; 1,5625; 3,125 и 6,25 мкм); сеточная сходимость достигалась при значении 1,5625 мкм. Выявлено наличие неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, которая приводит к появлению волны на поверхности топливной плёнки. После её срыва с кромки плёнкообразующей поверхности истончение в области ложбины волны приводит к разрыву пленки в этом месте. Выявленный сценарий распада топливной плёнки качественно соответствует одному из режимов, выделенных на основе экспериментальных данных на выходе из низкоперепадной центробежной форсунки при нормальных условиях. Особенность этого режима в рассматриваемой форсунке состоит в том, что часть сгустков керосина, образовавшихся в результате распада плёнки, отбрасывается в радиальном направлении внутрь застойной зоны. Вследствие этого в форсунке возникают два конуса распыла. Следует отметить, что в двухмерной (осесимметричной) постановке корректно проанализировать можно только первичный распад плёнки, но не последующее образование из сгустков топлива сложной формы капель, близких к сферическим. Интерес к задаче разрушения топливной плёнки в низкоперепадных форсунках при эксплуатации авиадвигателя на крейсерском режиме вызван почти полным отсутствием сведений об этом, как численных, так и экспериментальных.
Скачивания
Библиографические ссылки
Иноземцев А.А., Коняев Е.А., Медведев В.В., Нерадько А.В., Ряссов А.Е. Авиационный двигатель ПС-90А / Под ред. А.А. Иноземцева. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 320 с.
Баталов В.Г., Степанов Р.А., Сухановский А.Н. Применение прямых оптических методов измерений для исследования характеристик двухфазного потока // Труды МАИ. 2014. №76. 20 c.
Костарев К.Г., Баталов В.Г., Мизев А.И., Сухановский А.Н., Шмыров А.В. Гидродинамические аспекты процесса формирования и распада топливной пленки, создаваемой форсункой камеры сгорания авиационного двигателя // Вестник Пермского научного центра УрО РАН. 2017. № C. 52-56.
Баталов В.Г., Степанов Р.А., Сухановский А.Н. Оптические измерения размеров капель в факеле распыла топливной форсунки // Вестник ПГУ. Физика. 2017. № 3 (37). С. 40-47. https://doi.org/10.17072/1994-3598-2017-3-40-47">DOI
Sivakumar D., Kulkarni V. Regimes of spray formation in gas-centered swirl coaxial atomizers // Exp. Fluids. 2011. Vol. 51. P. 587-596. https://doi.org/10.1007/s00348-011-1073-7">DOI
Garai A., Pal S., Mondal S., Ghosh S., Sen S., Mukhopadhyay A. Experimental investigation of spray characteristics of kerosene and ethanol-blended kerosene using a gas turbine hybrid atomizer // Sadhana. 2017. Vol. 42, № 4. P. 543-555. URL: https://www.researchgate.net/publication/315458866_Experimental_investigation_of_spray_characteristics_of_kerosene_and_ethanol-blended_kerosene_using_a_gas_turbine_hybrid_atomizer">https://www.researchgate.net/publication/315458866_Experimental_investigation_of_spray_characteristics_
of_kerosene_and_ethanol-blended_kerosene_using_a_gas_turbine_hybrid_atomizer
Galbiati C., Ertl M., Tonini S., Cossali G.E., Weigand B. DNS Investigation of the primary breakup in a conical swirled jet // High Performance Computing in Science and Engineering’15 / Ed. W. Nagel, D. Kröner, M. Resch. Springer, Cham, 2016. P. 333-347. https://doi.org/10.1007/978-3-319-24633-8_22">DOI
Rivas J.R.R., Pimenta A.P., Salcedo S.G., Rivas G.A.R., Suazo M.C.G. Study of internal flow of a bipropellant swirl injector of a rocket engine // J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 2018. Vol. 40. P. 289-305. https://doi.org/10.1007/s40430-018-1205-6">DOI
Rivas J.R.R., Pimenta A.P., Rivas G.A.R. Development of a mathematical model and 3D numerical simulation of the internal flow in a conical swirl atomizer // Atomization Sprays. 2014. Vol. 24. P. 97-114. https://doi.org/10.1615/AtomizSpr.2013007495">DOI
Khandelwal B., Lili D., Sethi V. Design and study on performance of axial swirler for annular combustor by changing different design parameters // J. Energy Inst. 2014. Vol. 87. P. 372-382. https://doi.org/10.1016/j.joei.2014.03.022">DOI
Marudhappan R., Chandrasekhar U., Reddy K.H. Optimization of simplex atomizer inlet port configuration through computational fluid dynamics and experimental study for aero-gas turbine applications // J. Inst. Eng. India Ser. C. 2017. Vol. 98. P. 595-606. https://doi.org/10.1007/s40032-016-0300-7">DOI
Li X.-g., Fritsching U. Process modeling pressure-swirl-gas-atomization for metal powder production // J. Mater. Process. Tech. 2017. Vol. 239. P. 1-17. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.08.009">DOI
Warncke K., Gepperth S., Sauer B., Sadiki A., Janicka J., Koch R., Bauer H.-J. Experimental and numerical investigation of the primary breakup of an airblasted liquid sheet // Int. J. Multiph. Flow. 2017. Vol. 91. P. 208-224. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.12.010">DOI
Сипатов А.М., Карабасов С.А., Гомзиков М.Ю., Абрамчук Т.В.,Семаков Г.Н. Оптимизация конструкции пневматического распыливающего устройства на основе методов трехмерного моделирования // Изв. вузов. Авиационная техника. 2014. № С. 57-62. (English version https://doi.org/10.3103/S1068799814010115">DOI)
Ma P.C., Esclapez L., Carbajal S., Ihme M., Buschhagen T., Naik S.V., Gore J.P., Lucht R.P. High-fidelity simulations of fuel injection and atomization of a hybrid air-blast atomizer // Proc. of the 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting, San Diego, California, USA, January 4-8, 2016. Vol. 14. P. 12056-12064. https://doi.org/10.2514/6.2016-1393">DOI
Сипатов А.М., Карабасов С.А., Гомзиков Л.Ю., Абрамчук Т.В., Семаков Г.Н. Применение методов трехмерного моделирования при конструировании пневматических форсунок // Вычисл. мех. сплош сред. 2013. Т. 6, № 3. С.346-353. (English version http://dx.doi.org/10.7242/1999-6691/2013.6.3.39">DOI)
Мингалев С.В., Гомзиков Л.Ю., Сипатов А.М., Абрамчук Т.В. Моделирование распада пленки керосина в проточной части низкоперепадной форсунки авиационного двигателя методом объема жидкости // Материалы V-ой Всероссийской конференции с международным участием Пермские гидродинамические чтения, Пермь, 26-29 сентября, 2018. – Пермь: Издательский центр ПГНИУ, 2018. – с. 207-209.
ASME V&V 20-2009. Standard for Verification and Validation in Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer (2009) // American National Standard. New York: ASME.
Моделирование распыливания жидкости в форсунке с помощью метода объемов [Текст]: Техническая справка: 60353 / АО "ОДК-Авиадвигатель"; разраб.: Мингалев С.В. – Пермь, 2017. – 15 с.
Patankar S.V. Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere Publishing Corporation, 1980. 212 p. P. 118-120.
Youngs D.L. Time-dependent multi-material flow with large fluid distortion // Numerical methods in fluid dynamics / Ed. K.W. Morton, M.J. Baines. Academic Press, 1982. P. 273-285.
Казимарданов М.Г., Мингалев С.В., Любимова Т.П., Гомзиков Л.Ю. Моделирование распада пленки на капли в результате развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца // Вычисл. мех. сплош. сред. Т. 10, № 4. С. 416-425. (English version http://dx.doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.4.33">DOI)
Kulkarni V., Sivakumar D., Oommen C., Tharakan T.J. Liquid sheet breakup in gas-centered swirl coaxial atomizers // J. Fluids Eng. 2010. Vol. 132, no. 1. 011303. http://dx.doi.org/10.1115/1.4000737">DOI
Kim D., Im J.-H., Koh H., Yoon Y. Effect of ambient gas density on spray characteristics of swirling liquid sheets // J. Propul. Power. 2007. Vol. 23, no. 3. P. 603-611. https://doi.org/10.2514/1.20161">DOI
Inamura T., Tamura H., Sakamoto H. Characteristics of liquid film and spray injected from swirl coaxial injector // J. Propul. Power. 2003. Vol. 19, no. 4. P. 632-639. https://doi.org/10.2514/2.6151">DOI
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2019 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
