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
###
Inozemtsev A.A., Konyayev E.A., Medvedev V.V., Nerad’ko A.V., Ryassov A.E. Aviatsionnyy dvigatel’ PS-90A [Aircraft engine PS-90A]. Мoscow, FIZMATLIT, 2007. 320 p.
Batalov V.G., Stepanov R.A., Sukhanovsky A.N. Primeneniye pryamykh opticheskikh metodov izmereniy dlya issledovaniya kharakteristik dvukhfaznogo potoka [Application of direct optical methods for investigation of two-phase flow characteristics]. Trudy MAI, 2014, no. 76, 20 p.
Kostarev K.G., Batalov V.G., Mizev A.I., Sukhanovskii A.N., Shmyrov A.V. Hydrodynamic aspects of the formation and disintegration processes of fuel film created by the injector of the combustion chamber of an aircraft engine. Vestnik permskogo nauchnogo centra UrO RAN – Bulletin of the Perm Scientific Center UB RAS, 2017, no. 1, pp. 52-56.
Batalov V.G., Stepanov R.A., Sukhanovsky A.N. Optical measurement of droplet dimensions in spray of fuel injector. Bulletin of Perm University. Physics, 2017, no. 3 (37), pp. 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. Fluids, 2011, vol. 51, pp. 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, no. 4, pp. 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. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng., 2018, vol. 40, pp. 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, pp. 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. Energy Inst., 2014, vol. 87, pp. 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. Inst. Eng. India Ser. C, 2017, vol. 98, pp. 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. Mater. Process. Tech., 2017, vol. 239, pp. 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. J. Multiph. Flow, 2017, vol. 91, pp. 208-224. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.12.010">DOI
Sipatov A.M., Karabasov S.A., Gomzikov L.Yu., Abramchuk T.V., Semakov G.N. Structural optimization of the air-blast atomizer based on three-dimensional simulation techniques. Aeronaut., 2014, vol. 57, pp. 75-83. 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. of the 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting, San Diego, California, USA, January 4-8, 2016. Vol. 14, pp. 12056-12064. https://doi.org/10.2514/6.2016-1393">DOI
Sipatov A.M., Karabasov S.A., Gomzikov L.Yu., Abramchuk T.V., Semakov G.N. Application of three-dimensional numerical study in air-blast atomizer designing. Vychisl. meh. splos. sred – Computational Continuum Mechanics, 2013, Vol. 6, no. 3, pp. 346-353. http://dx.doi.org/10.7242/1999-6691/2013.6.3.39">DOI
Mingalev S.V., Gomzikov L.Y., Sipatov A.M., Abramchuk T.V. The simulation of film atomization in an air-blast atomizer with pre-filmer by the VOF method. Proc. of the 5th All-Russian conference Perm hydrodynamic readings, Sep. 26-29, 2018, Perm, Russia, PSU, 2018, p. 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.
Mingalev S.V. Modelirovanie raspylivanija zhidkosti v forsunke s pomoshh'ju metoda ob’emov [Simulation of atomization of liquid in the nozzle using the volume of fluid method], Technical report 60353, JSC «UEC-Aviadvigatel» ,Perm, 2017, 15 p.
Patankar S.V. Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere Publishing Corporation, 1980. 212 p. Pp. 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.
Kazimardanov M.G., Mingalev S.V., Lubimova T.P., Gomzikov L.Yu. Simulation of primary atomization due to Kelvin-Helmholtz instability. Vychisl. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2017, vol. 10, no. 4, pp. 416-425. 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. 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. Propul. Power, 2007, vol. 23, no. 3, pp. 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. Propul. Power, 2003, vol. 19, no. 4, pp. 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.
