Применение численных методов для доводки камер сгорания авиационных двигателей по характеристикам распыла топлива


DOI: 10.34759/trd-2021-117-19

Авторы

Мингалев С. В.*, Казимарданов М. Г.**

ОДК-Авиадвигатель, Комсомольский проспект, 93, Пермь, 614990, Россия

*e-mail: mingalev-sv@avid.ru
**e-mail: kazimardanov-mg@avid.ru

Аннотация

В статье рассматривается проблема моделирования распыла топлива в пневматических форсунках методом объема жидкости с динамическим дроблением сетки на границе раздела без использования моделей турбулентности на сетках, чье разрешение недостаточно для описания поведения мелких капель. Такой подход позволяет получать результаты, которые затем подтверждаются на испытаниях и используются для доводки камер сгорания, однако обоснование его требует определения влияния размера ячейки расчетной сетки на результаты. Именно такое исследование описано в настоящей статье, в которой сравниваются результаты, полученные в результате моделирования распыла топлива на сетках с разным разрешением. Было найдено, что при уменьшении размера ячейки сетки полученные из расчета значения угла распыла почти не меняются, а диаметры капель уменьшаются более чем в четыре раза.

Ключевые слова:

пневматическая форсунка, вычислительная механика, моделирование, камера сгорания, авиационный двигатель, метод объема жидкости

Библиографический список

  1. Shao C., Luo K., Chai M., Fan J. Sheet, ligament and droplet formation in swirling primary atomization // AIP Advances, 2018, vol. 8 (4), URL: https://doi.org/10.1063/1.5017162

  2. Сипатов А.М., Карабасов С.А., Гомзиков Л.Ю., Абрамчук Т.В., Семаков Г.Н. Применение методов трехмерного моделирования при конструировании пневматических форсунок // Вычислительная механика сплошных сред. 2013. Т. 6 (3). C. 346 - 353. URL: https://doi.org/10.7242/1999-6691/2013.6.3.39

  3. Сипатов А.М., Модорский В.Я., Бабушкина А.В., Колодяжный Д.Ю., Нагорный В.С. Расчетное исследование влияния конструктивных параметров на характеристики распыла топлива пневматической форсунки // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2017. № 3. C. 101 - 105. URL: https://doi.org/10.3103/s1068799817030151

  4. Zhao W., Cao F., Ning Z., Zhang G., Li Z., Sun J. A computational fluid dynamics (CFD) investigation of the flow field and the primary atomization of the close coupled atomizer // Computers & Chemical Engineering, 2012, vol. 40 (3), pp. 58 – 66. URL: https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2012.02.014

  5. Li X., Fritsching U. Process modeling pressure-swirl-gas-atomization for metal powder production // Journal of Materials Processing Technology, 2017, vol. 239, pp. 1 – 17. URL: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.08.009

  6. Ma P., Esclape L., Carbajal S., Ihme M., Buschhagen T., Naik S., Gore J, Lucht R. High-fidelity simulations of fuel injection and atomization of a hybrid air-blast atom-izer // Proc. of the 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting, American Institute of Aeronautics and Astronautics, San Diego, California, USA, January 4-8, 2016. URL: https://doi.org/10.2514/6.2016-1393

  7. Сёмкин Е.В. Исследование процессов истечения жидкости из малорасходных центробежных форсунок жидкостного ракетного двигателя малой тяги // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2016. Т. 15. № 4. C. 150 - 161. URL: https://doi.org/10.18287/2541-7533-2016-15-4-150-161

  8. Shao C., Luo K., Yang Y., Fan J. Detailed numerical simulation of swirling primary atomization using a mass conservative level set method // International Journal of Multiphase Flow, 2016, vol. 89, pp. 57 - 68. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.10.010

  9. Shao C., Luo K., Yang J., Chen S., Fan J. Accurate level set method for simulations of liquid atomization // Chinese Journal of Chemical Engineering, 2015, vol. 23 (4), pp. 597 – 604. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.10.010

  10. Desjardins O., McCaslin J, Owkes M, Brady P. Direct numerical and large-eddy simulation of primary atomization in complex geometries // Atomization and Sprays, 2013, vol. 23 (11), pp. 1001 – 1048. URL: https://doi.org/10.1615/atomizspr.2013007679

  11. Simon H. New Insights in the Primary Breakup Process of Prefilming Airblast Atomizers by SPH Predictions // Proc. of ICLASS 2018: 14th International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, University of Illinois, Chicago, USA, July 22-26, 2018. URL: https://doi.org/10.5445/IR/1000084439/pub

  12. Grech N., Mehdi A., Zachos P.K., Pachidis V., Singh R. Effect of Combustor Geometry on Performance of Airblast Atomizer Under Sub-Atmospheric Conditions // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 2012, vol. 6 (2), pp. 203 – 213. URL: https://doi.org/10.1080/19942060.2012.11015415

  13. Баталов В.Г., Степанов Р.А., Сухановский А.Н. Применение прямых оптических методов для исследования характеристик двухфазного потока // Труды МАИ. 2014. № 76. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=50074

  14. Ланский А.М., Лукачев С.В., Матвеев С.Г. Исследование распыливания топлива пневмомеханическими форсунками // Труды МАИ. 2012. № 57. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=31093

  15. Chaussonnet G., Vermorel O., Riber E., Cuenot B. A new phenomenological model to predict drop size distribution in Large-Eddy Simulations of airblast atomizers // International Journal of Multiphase Flow, 2016, vol. 80, pp. 29 - 42. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2015.10.014

  16. Holz S., Chaussonnet G., Gepperth S., Koch R., Bauer H.J. Comparison of the Primary Atomization Model PAMELA with Drop Size Distributions of an Industrial Prefilming Airblast Nozzle // In Proc. of the 27th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Brighton, UK, 4–7 September 2016. URL: http://www.ilasseurope.org/ICLASS/ilass2016.zip

  17. E A.I., Ayedh Al., Zhiyin Y. Numerical study of the combustion of conventional and biofuels using reduced and advanced reaction mechanisms // Thermal Science, 2015, vol. 19 (6), pp. 2171 - 2184. URL: https://doi.org/10.2298/TSCI141106038A

  18. Sauer B., Sadiki A., Janicka J. Numerical Analysis of the Primary Breakup Applying the Embedded DNS Approach to a Generic Prefilming Airblast Atomizer // The Journal of Computational Multiphase Flows, 2014, vol. 6 (3), pp. 179 - 192. URL: https://doi.org/10.1260/1757-482X.6.3.179

  19. 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 // International Journal of Multiphase Flow, 2017, vol. 91, pp. 208 - 224. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.12.010

  20. Mingalev S., Inozemtsev A., Gomzikov L., Sipatov Al., Abramchuk T. Simulation of Primary Film Atomization in Prefilming Air-assisted Atomizer Using Volume-of-Fluid Method // Microgravity Science and Technology, 2020, vol. 32, pp. 465 – 476. DOI:10.1007/s12217-020-09782-3

  21. Kazimardanov M., Zagitov R. Numerical Simulation of Kerosene Atomization in Injector of a Gas Turbine Engine // AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2125, URL: https://doi.org/10.1063/1.5117432

  22. Standard for Verification and Validation in Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer, ASME V&V 20-2009, New York, ASME, 2009, 100 p.

  23. Нагорный В.С., Колодяжный Д.Ю., Сипатов А.М., Хрящиков М.С., Семаков Г.Н. Топливная форсунка газотурбинного двигателя. Патент № 2615618 РФ. Бюлл. № 10, 05.04.2017.

  24. Куценко Ю.Г. Методология проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов: Дисс….. д.т.н. – Пермь: ПНИПУ, 2010, - 298 с.

  25. Mingalev S.V., Inozemtsev A.A., Gomzikov L.Y., Sipatov A.M., Abramchuk T.V. The Numerical Simulation of the Atomization of a Kerosene Film in an Air-Assist Atomizer with a Prefilmer // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2020, vol. 61, pp. 1059 - 1067. URL: https://doi.org/10.1134/S0021894420070081


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2023

Вход