Настройка математической модели для описания горения газообразного топлива c учётом уточнения геометрии расчётной области

  • Юлия Александровна Митрофанова Пермский национальный исследовательский политехнический университет; АО «ОДК-Авиадвигатель»
  • Ренат Азгарович Загитов Пермский национальный исследовательский политехнический университет; АО «ОДК-Авиадвигатель»
  • Пётр Валентинович Трусов Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Ключевые слова: горение газообразного топлива, газотурбинный двигатель, RANS, SST модель турбулентности, комбинированная EDM/FRC модель, вычислительные эксперименты, уточнение геометрии расчетной)

Аннотация

Представлены постановка и результаты численного исследования задачи горения газообразного топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя наземного применения. Принято, что газовоздушная смесь является однофазным многокомпонентным реагирующим потоком. Для описания турбулентного течения в камере сгорания применён подход осреднения по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса. Для замыкания системы этих уравнений использовалась SST-модель турбулентности. Для нахождения скорости образования компонентов смеси применена комбинированная EDM/FRC модель горения. На основе сопоставления данных предварительных расчётов в рамках этой постановки и экспериментов было выдвинуто предположение, что получаемое различие в данных обусловливается технологическими отклонениями и нанесением теплозащитного покрытия на стенки жаровой трубы. С целью его проверки по найденному из аэродинамических испытаний коэффициенту расхода воздуха изменялась геометрия расчётной области. Далее проводилось уточнение параметров математической модели (настройка модели) как на исходной, так и на новой геометрии. Предложена методика настройки математической модели рассматриваемой задачи по трём параметрам: турбулентным числам Прандтля и Шмидта и коэффициенту, ограничивающему скорость горения. Верификация модели осуществлена путём численных экспериментов на трёх конструктивных вариантах жаровой трубы. Расчёты с уточнёнными данными показали, что изменение геометрии позволяет более корректно представить горение в турбулентном потоке: так, по средней неравномерности температурного поля результаты практически совпадают с экспериментальными данными. За счёт корректировки геометрии расчётной области также удалось установить расположение и величину максимальной неравномерности температуры. Созданная уточнённая математическая модель для описания горения газообразного топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя пригодна для дальнейшей оптимизации конструкции камеры сгорания.

Литература


  1. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. М.: Машиностроение, 2008. Т. 2. Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства. 367с.

  2. Зырянов А.В., Сенюшкин Н.С., Харитонов В.Ф. Разработка метода диагностики камер сгорания ГТД на основе математического моделирования их рабочего процесса // Вестник УГАТУ. 2012. Т. 16, № 2(47). С. 98‑105.

  3. Корнеев В.Н. Теория газотурбинных двигателей. М.: Издательские решения, 2019. 154 с.

  4. Чигрин В.С., Белова С.Е. Конструкция камер сгорания газотурбинных двигателей. Рыбинск: РГАТА, 2004. 25 с.

  5. Пугач К.С. Доводка поля температур на выходе из малоэмиссионной камеры сгорания методами трёхмерного моделирования // Компьютерные исследования и моделирование. 2014. Т. 6, № 6. С. 901-909.

  6. Орлов М.Ю., Зубрилин И.А., Матвеев С.С., Цыбизов Ю.И. Доводка поля температуры на выходе из многофорсуночной камеры сгорания ГТД методами трёхмерного моделирования // Изв. Самарского научного центра РАН. 2013. Т. 15, № 6(4). С 905-910.

  7. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986. 566 с.

  8. Кофман М.В. Исследование влияния неравномерности поля температуры газового потока на выходе из камеры сгорания ГТД на интегральные характеристики потока и результаты осреднения его параметров // Вестник УГАТУ. 2012. Т. 16. № 1(46). С. 10-23. http://journal.ugatu.ac.ru/index.php/Vestnik/article/view/725 (Дата обращения 06.04.2020)

  9. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.-Л.: Гостехиздат, 1950. 676 с.

  10. Рождественский Б.Л., Яненко Н.Н. Системы квазилинейных уравнений и их пpиложения к газовой динамике. М.: Наука, 1968. 686 с.

  11. Больцман Л. Лекции по теории газов. – М.: Гос. изд-во техн.-теорет. лит., 1953. 554 с.

  12. Молчанов А.М. Математическое моделирование гиперзвуковых гомогенных и гетерогенных неравновесных течений при наличии сложного радиационно-конвективного теплообмена. М.: Изд-во МАИ, 2017. 160 с.

  13. Garnier E., Adams N., Sagaut P. Large eddy simulation for compressible flows. Springer, 2009. 276 p. https://doi.org/10.1007/978-90-481-2819-8

  14. Toro E.F. Riemann solvers and numerical methods for fluid dynamics. Springer, 1999. 624 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-03915-1

  15. Прандтль Л., Титьенс О. Гидро- и аэромеханика. Т. 2. Движение жидкостей с трением и технические приложения. М.-Л.: Гостехтеориздат, 1935. 313 с.

  16. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VI. Гидродинамика. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 736 с.

  17. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. М.-Л.: Гос. изд-во техн.-теорет. лит., 1949. Ч. 1. 624 с.

  18. Wilcox D.C. Multiscale model for turbulent flows // Proc. of the 24th Aerospace Sciences Meeting. U.S.A., Reno, NV, January 6-9, 1986. P. 15-17. https://doi.org/10.2514/6.1986-29

  19. Menter F.R. Zonal two-equation k-ε turbulence models for aerodynamic flows // Proc. of the 23rd Fluid Dynamics, Plasmadynamics, and Lasers Conference. U.S.A., Orlando, FL, July 6-9, 1993. P. 1993-2906. https://doi.org/10.2514/6.1993-2906

  20. Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, Inc., 1994. 460 p.

  21. Reynolds O. Papers on mechanical and physical subjects. Cambridge: At the University Press, 1901. Vol. II. – 227 p.

  22. Куценко Ю.Г. Численные методы оценки эмиссионных характеристик камер сгорания газотурбинных двигателей. Екатеринбург-Пермь: УрО РАН, 2006. 140 с.

  23. Magnussen B.F., Hjertager B.H. On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion // Symposium (International) on Combustion. 1977. Vol. 16. P. 719-729. https://doi.org/10.1016/S0082-0784(77)80366-4

  24. Curran H.J., Gaffuri P., Pitz W.J., Westbrook C.K. A comprehensive modelling study of n-heptane oxidation // Combust. Flame. 1998. Vol. 114. P. 149-177. https://doi.org/10.1016/S0010-2180(97)00282-4

  25. Баcевич В.Я. Детальные кинетические механизмы горения гомогенных газовых смесей с участием кислородсодержащих окислителей // Успехи химии. 1987. Т. 56, № 5. С. 705-731. English version https://doi.org/10.1070/ RC1987v056n05ABEH003280

  26. Westbrook C.K, Dryer P.L. Simplified reaction mechanisms for the oxidation of hydrocarbon fuels in flames // Combust. Sci. Tech. 1981. Vol. 27. P. 31-43. https://doi.org/10.1080/00102208108946970

  27. Бедарев И.А., Федоров А.В. Сравнительный анализ трёх математических моделей воспламенения водорода // Физика горения и взрыва. 2006. Т. 42, № 1. С. 26-33. English version https://doi.org/10.1007/s10573-006-0002-1

  28. ANSYS 17.2 Help. Документация по программному комплексу ANSYS 14.5.7. URL: www.cadfem-cis.ru (Дата обращения: 06.04.2020)

  29. Гриценко Е.А., Данильченко В.П., Лукачев С.В., Резник В.Е., Цыбизов Ю.И. Конвертирование авиационных ГТД в газотурбинные установки наземного применения. Самара: СНЦ РАН, 2004. 266 с.

  30. Соколов В.Д., Ягудин С.В. Коэффициент расхода осесимметричных сужающихся сопл с произвольным контуром // Ученые записки ЦАГИ. 1975. Т 5, № 1. С. 117-121.

  31. Годунов С.К. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидродинамики // Матем. сб. 1959. Т. 47(89), № 3. С. 271-306.

Опубликован
2020-03-30
Как цитировать
Митрофанова, Ю. А., Загитов, Р. А., & Трусов, П. В. (2020). Настройка математической модели для описания горения газообразного топлива c учётом уточнения геометрии расчётной области. Вычислительная механика сплошных сред, 13(1), 60-72. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.1.5
Раздел
Статьи