Оценка влияния учёта сопряжённого теплообмена между частями камеры сгорания и реагирующим потоком на результаты моделирования эмиссии оксидов азота


Авторы

Митрофанова Ю. А.1, 2*, Загитов Р. А.1**, Трусов П. В.1***

1. Пермский национальный исследовательский политехнический университет, ПНИПУ, Комсомольский проспект, 29, Пермь, 614990, Россия
2. "ОДК-Авиадвигатель", Комсомольский проспект, 93, Пермь, 614990, Россия

*e-mail: YuAMitrofanova@yandex.ru
**e-mail: zagitoff@inbox.ru
***e-mail: tpv@matmod.pstu.ac.ru

Аннотация

В работе проведена оценка влияния учета сопряжённого теплообмена на результаты моделирования горения топливовоздушной смеси в камере сгорания газотурбинного двигателя наземного применения. Принято, что газовоздушная смесь является однофазным, многокомпонентным, реагирующим потоком. Для описания турбулентного течения в камере сгорания был применён подход осреднения по Фавру уравнений Навье-Стокса. Для замыкания полученной системы использовалась SST-модель турбулентности. Для нахождения скорости образования компонент смеси была применена комбинированная EDM/FRC модель горения. Проведена сеточная сходимость. Результаты расчетов показали незначительность влияния сопряжённого теплообмена между реагирующим потоком и твердыми стенками на расчетный уровень эмиссии оксидов азота.

Ключевые слова:

горение газообразного топлива, газотурбинный двигатель, осреднённые по Рейнольдсу уравнения Навье - Стокса, модель турбулентности Ментера, сопряженный теплообмен

Библиографический список

  1. Бендерский Л.А., Любимов Д.А. Математическое моделирование турбулентных струйных течений с помощью RANS/ILES-метода высокого разрешения // Авиационные двигатели. 2022. № 2 (15). С. 5–12. DOI: 10.54349/26586061_2022_2_05

  2. Сипатов А.М., Абрамчук Т.В., Шилов К.А., Нугуманов А.Д. Численная доводка полей температуры газов на выходе из камеры сгорания газотурбинной установки // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2016. № 46. С. 40–55. DOI: 10.15593/2224-9982/2016.46.02

  3. Мингалев С.В., Казимарданов М.Г. Применение численных методов для доводки камер сгорания авиационных двигателей по характеристикам распыла топлива // Труды МАИ. 2021. № 117. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=156325. DOI: 10.34759/trd-2021-117-19

  4. Мосолов С.В., Сидлеров Д.А., Пономарев А.А. Сравнительный анализ особенностей рабочего процесса в камерах сгорания ЖРД со струйно-струйными и струйно-центробежными форсунками на основе численного моделирования // Труды МАИ. 2012. № 59. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=34989

  5. Способин А.В. Бессеточный алгоритм расчёта сверхзвуковых течений невязкого газа // Труды МАИ. 2021. № 119. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=159777. DOI: 10.34759/trd-2021-119-04

  6. Городнов А.О., Лаптев И.В. Влияние теплоемкости стенки на рост давления и температурное расслоение при тепловой конвекции паров водорода в вертикальной цилиндрической емкости // Труды МАИ. 2021. № 116. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=121008. DOI: 10.34759/trd-2021-116-02

  7. Госсман Н.А., Русаков С.В. Влияние граничных условий теплообмена на расчетное значение теплового состояние корпуса компрессора авиационного двигателя // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2018. № 54. С. 17-25. DOI: 10.15593/2224-9982/2018.54.02

  8. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Перевод с немецкого. - М.: Наука, 1974. – 712 с.

  9. Хинце И.О. Турбулентность / Под редакцией Г.Н. Абрамовича. – М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. – 680 с

  10. von Karman T. Mechanische Ähnlichkeit und Turbulenz, Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, 1930, pp. 58–76.

  11. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика / Под редакцией С.Н. Шустова. – М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1953. – 736 с.

  12. Швыдкий В.С., Ярошенко Ю.Г., Гордон Я.М. Механика жидкости и газа / Под ред. В.С. Швыдкого. – М.: Академкнига, 2003. – 464 с.

  13. Карташов С.В., Кожухов Ю.В. Повышение качества проектных расчетов вязкого потока в малорасходных ступенях центробежного компрессора методами вычислительной газодинамики за счет обоснованного применения различных моделей турбулентности // Омский научный вестник. 2021. № 2 (176). С. 24–30. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-176-24-30

  14. Henkes R.A.W.M. Comparison of turbulence models for attached boundary layers relevant to aeronautics // Applied Scientific Research, 1997, vol. 57, pp. 43-65. DOI: 10.1007/BF02528763

  15. Баранов П.А., Гувернюк С.В., Зубинин М.А., Исаев С.А., Усачев А.Е. Применение различных моделей турбулентности для расчета несжимаемых внутренних течений // Ученые записки ЦАГИ. 2017. Т. 48. № 1. С. 26–36.

  16. Spalart P.R., Allmares S.R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows // AIAA Paper 92-0439, 1992, 22 p. DOI:10.2514/6.1992-439

  17. Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD, California, 1994, 460 p.

  18. Снегирёв А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2009. – 143 с.

  19. Жлуктов С.В., Аксенов А.А. Пристеночные функции для высокорейнольдсовых расчетов в программном комплексе FlowVision // Компьютерные исследования и моделирование. 2015. Т. 7. № 6. С. 1221–1239. DOI: 10.20537/2076-7633-2015-7-6-1221-1239

  20. Жлутков С.В., Аксенов А.А., Савицкий Д.В. Высокорейнольдсовые расчеты турбулентного теплопереноса в программном комплексе FlowVision // Компьютерные исследования и моделирование. 2018. Т. 10. № 4. С. 461–481. DOI: 10.20537/2076-7633-2018-10-4-461-481

  21. Launder B.E., Spalding D.B. Lectures in Mathematical Models of Turbulence, London, Academic Press, 1972, 196 p.

  22. Yakhot V., Orszag S.A. Renormalization group analysis of turbulence // Journal of Scientific Computing, 1986, vol. 1, pp. 3–51. DOI: 10.1007/BF01061452

  23. Wilcox D.C. Multiscale Model for Turbulent Flows // In AIAA 24th Aerospace Meeting, 1986, pp. 15–17. DOI:10.2514/6.1986-29

  24. Прандтль Л., Титьенс О. Гидро- и аэромеханика: Движение жидкостей с трением и технические приложения. – М.-Л.: Гостехтеориздат, 1935. Т. 2. – 311 с.

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

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

  27. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. – М. Л.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1949. Ч. I. – 624 с.

  28. Menter F.R. Zonal two-equation k-ε turbulence models for aerodynamic flows // Proc. 24th Fluid Dynamics Conference, Florida, 1993, pp. 1993-2906. DOI:10.2514/6.1993-2906

  29. Reynolds O. Papers on mechanical and physical subjects, Cambridge, At the University Press, 1901, vol. 2, 227 p.

  30. Magnussen B.F., Hjertager B.H. On Mathematical Modeling of Turbulent Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion // Symposium (International) on Combustion, 1976, vol. 16 (1), pp. 719–729. DOI: 10.1016/s0082-0784(77)80366-4

  31. Westbrook C.K., Dryer F.L. Simplified reaction mechanisms for the oxidation of hydrocarbon fuels inflames // Combustion Science and Technology, 1981, vol. 27, pp. 31–43. DOI: 10.1080/00102208108946970

  32. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменский Д.А. Окисление азота при горении. – М.–Л.: Издательство АН СССР, 1947. – 148 с.

  33. Lavoie G.A., Heywood J.B., Keck J.C. Experimental and theoretical study of nitric oxide formation in internal combustion engines // Combustion Science and Technology, 1970, vol. 1, pp. 313–326. DOI: 10.1080/00102206908952211

  34. Fenimore C.P., Jones G.W. Nitric Oxide Decomposition at 2200–2400° K // The Journal of Physical Chemistry. American Chemical Society, 1957, vol. 61, no. 5, pp. 654–657. DOI: 10.1021/j150551a034

  35. Фристром Р.М., Вестенберг А.А. Структура пламени. – М.: Металлургия, 1969. – 363 с.

  36. Fenimore C.P. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames // Symposium (International) on Combustion, 1971, vol. 13, no. 1, pp. 373–380. DOI:10.1016/S0082-0784(71)80040-1


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход