Настройка математической модели для описания горения газообразного топлива c учётом уточнения геометрии расчётной области
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.1.5Ключевые 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.
Скачивания
Библиографические ссылки
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.
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.
Корнеев В.Н. Теория газотурбинных двигателей. М.: Издательские решения, 2019. 154 с.
Чигрин В.С., Белова С.Е. Конструкция камер сгорания газотурбинных двигателей. Рыбинск: РГАТА, 2004. 25 с.
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.
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.
Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986. 566 с.
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">http://journal.ugatu.ac.ru/index.php/Vestnik/article/view/725 (Дата обращения 06.04.2020)
Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.-Л.: Гостехиздат, 1950. 676 с.
Рождественский Б.Л., Яненко Н.Н. Системы квазилинейных уравнений и их пpиложения к газовой динамике. М.: Наука, 1968. 686 с.
Больцман Л. Лекции по теории газов. – М.: Гос. изд-во техн.-теорет. лит., 1953. 554 с.
Молчанов А.М. Математическое моделирование гиперзвуковых гомогенных и гетерогенных неравновесных течений при наличии сложного радиационно-конвективного теплообмена. М.: Изд-во МАИ, 2017. 160 с.
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">https://doi.org/10.1007/978-90-481-2819-8
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">https://doi.org/10.1007/978-3-662-03915-1
Прандтль Л., Титьенс О. Гидро- и аэромеханика. Т. 2. Движение жидкостей с трением и технические приложения. М.-Л.: Гостехтеориздат, 1935. 313 с.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VI. Гидродинамика. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 736 с.
Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. М.-Л.: Гос. изд-во техн.-теорет. лит., 1949. Ч. 1. 624 с.
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">https://doi.org/10.2514/6.1986-29
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">https://doi.org/10.2514/6.1993-2906
Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, Inc., 1994. 460 p.
Reynolds O. Papers on mechanical and physical subjects. Cambridge: At the University Press, 1901. Vol. II. – 227 p.
Куценко Ю.Г. Численные методы оценки эмиссионных характеристик камер сгорания газотурбинных двигателей. Екатеринбург-Пермь: УрО РАН, 2006. 140 с.
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">https://doi.org/10.1016/S0082-0784(77)80366-4
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">https://doi.org/10.1016/S0010-2180(97)00282-4
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">https://doi.org/10.1070/ RC1987v056n05ABEH003280
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">https://doi.org/10.1080/00102208108946970
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">https://doi.org/10.1007/s10573-006-0002-1
ANSYS 17.2 Help. Документация по программному комплексу ANSYS 14.5.7. URL: www.cadfem-cis.ru (Дата обращения: 06.04.2020)
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.
Соколов В.Д., Ягудин С.В. Коэффициент расхода осесимметричных сужающихся сопл с произвольным контуром // Ученые записки ЦАГИ. 1975. Т 5, № 1. С. 117-121.
Годунов С.К. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидродинамики // Матем. сб. 1959. Т. 47(89), № 3. С. 271-306.
###
Inozemtsev A.A., Nikhamkin M.A., Sandratskiy V.L. Osnovy konstruirovaniya aviatsionnykh dvigateley i energeticheskikh ustanovok. T. 2. Kompressory. Kamery sgoraniya. Forsazhnyye kamery. Turbiny. Vykhodnyye ustroystva [Designing bases of aircraft engines and power plants. Vol. 2. Compressors. Combustion Chambers. Afterburner. Turbine. Exhaust arrangement]. Moscow, Mashinostroyeniye, 2008. 367 p.
Zyrianov A.V., Senyushkin N.S., Kharitonov V.F. Development of diagnostics method for gas turbine combustors on the base of mathematical modeling of their operation. Vestnik UGATU – Vestnik USATU, 2012, vol. 16, no. 2(47), pp. 98‑105.
Korneyev V.N. Teoriya gazoturbinnykh dvigateley [The gas turbine engines theory]. Moscow, Izdatelskiye resheniya, 2019. 154 p.
Chigrin V.S., Belova S.E. Konstruktsiya kamer sgoraniya gazoturbinnykh dvigateley [The design of gas turbine engines combustion chambers]. Rybinsk, RGATA. 2004. 25 p.
Pugach K.S. Computer simulation for trimming exit temperature profile from low emis-sion combustor. Komp’yuternyye issledovaniya i modelirovaniye – Computer Research and Modeling, 2014, vol. 6, no. 6, pp. 901-909.
Orlov M., Zubrilin I., Matveev S., Tsybizov Yu. Operational development of exit temperature profile of multiburner combustion chamber with using of computational fluid dynamics. Izv. Samarskogo nauchnogo tsentra RAN – Izvestia RAS SamSC, 2013, vol. 15, no. 6(4), pp. 905-910.
Lefebvre A.H. Gas turbine combustion. McGraw-Hill Book company, 1985.
Kofman V.M. Research of the influence of the gas flow temperature field irregularity in the gas turbine engine combustion chamber outlet on the integral characteristics of the flow and its results averaging. Vestnik UGATU – Vestnik USATU, 2012, vol. 16, no. 1(46), pp. 10-23. http://journal.ugatu.ac.ru/index.php/Vestnik/article/view/725">http://journal.ugatu.ac.ru/index.php/Vestnik/article/view/725 (accessed April 06, 2020)
Loytsyanskiy L.G. Mekhanika zhidkosti i gaza [The fluid mechanics]. Moscow, Leningrad, Gostekhizdat, 1950. 676 p. L.G.
Rozhdestvenskiy B.L., Yanenko N.N. Sistemy kvazilineynykh uravneniy i ikh ppilozheniya k gazovoy dinamike [Quasilinear equations systems and their applications to gas dynamics]. Moscow, Nauka, 1968. 686 p.
Boltzmann L. Vorlesungen über Gastheorie [Lectures on gas theory]. Leipzig, Verlag J.A. Barth, 1896.
Molchanov A.M. Matematicheskoye modelirovaniye giperzvukovykh gomogennykh i geterogennykh neravnovesnykh techeniy pri nalichii slozhnogo radiatsionno-konvektivnogo teploobmena [Mathematical modelling of hypersound homogeneous and heterogeneous nonequilibrium currents at presence complex radiation-convective heat exchange]. Moscow, Izd-vo MAI, 2017. 160 p.
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">https://doi.org/10.1007/978-90-481-2819-8
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">https://doi.org/10.1007/978-3-662-03915-1
Prandtl L., Tietjens O. Hydro- and aeromechanic. B. 2. Bewegung Reibender Flüssigkeiten und technische Anwendungen [Hydro- and aeromechanics. Vol. 2. Movement of liquids with friction and technical appendices]. Springer, 1931.
Landau L.D., Lifshits E.M. Teoreticheskaya fizika. T. VI. Gidrodinamika [Theoretical physics. Vol. VI. Hydrodynamics]. Moscow, Gl. red. fiz.-mat. lit., 1988. 736 p.
.Fabrikant N.Ya. Aerodinamika. Ch. 1 [Aerodynamics. Vol. 1]. Moscow, Leningrad, izd-vo tekhn.-teoret. lit., 1949. 624 p.
Wilcox D.C. 24th Aerospace Sciences Meeting. U.S.A., Reno, NV, January 6-9, 1986. Pp. 15-17. https://doi.org/10.2514/6.1986-29">https://doi.org/10.2514/6.1986-29
Menter F.R. Proc. of the 23rd Fluid Dynamics, Plasmadynamics, and Lasers Conference. U.S.A., Orlando, FL, July 6-9, 1993. Pp. 1993-2906. https://doi.org/10.2514/6.1993-2906">https://doi.org/10.2514/6.1993-2906
Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, Inc., 1994. 460 p.
Reynolds O. Papers on mechanical and physical subjects. Cambridge: At the University Press, 1901. Vol. II. 227 p.
Kutsenko Yu.G. Chislennyye metody otsenki emissionnykh kharakteristik kamer sgoraniya gazoturbinnykh dvigateley [Numerical methods of an issue characteristics estimation GTE combustion chamber]. Ekaterinburg-Perm, UrO RAN, 2006. 140 p.
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, pp. 719-729. https://doi.org/10.1016/S0082-0784(77)80366-4">https://doi.org/10.1016/S0082-0784(77)80366-4
Curran H.J., Gaffuri P., Pitz W.J., Westbrook C.K. A comprehensive modelling study of n-heptane oxidation. Combust. Flame, 1998, vol. 114, pp. 149-177. https://doi.org/10.1016/S0010-2180(97)00282-4">https://doi.org/10.1016/S0010-2180(97)00282-4
Baevich V.Ya. Detailed kinetic mechanism of the combustion of homogeneous gaseous mixtures with participation of oxygen-containing oxidants. Russ. Chem. Rev., 1987, vol. 56, no. 5, pp. 411-427. https://doi.org/10.1070/RC1987v056n05ABEH003280">https://doi.org/10.1070/RC1987v056n05ABEH003280
Westbrook C.K, Dryer P.L. Simplified reaction mechanisms for the oxidation of hydrocarbon fuels in flames. Combust. Sci. Tech., 1981, vol. 27, pp. 31-43. https://doi.org/10.1080/00102208108946970">https://doi.org/10.1080/00102208108946970
Bedarev I.A., Fedorov A.V. Comparative analysis of three mathematical models of hydrogen ignition. Combust. Explos. Shock Waves, 2006, vol. 42, pp. 19-26. https://doi.org/10.1007/s10573-006-0002-1">https://doi.org/10.1007/s10573-006-0002-1
ANSYS 17.2 Help. URL: www.cadfem-cis.ru (accessed 06 April 2020)
Gritsenko E.A., Danil’chenko V.P., Lukachev S.V., Reznik V.E., Tsybizov Yu.I. Konvertirovaniye aviatsionnykh GTD v gazoturbinnyye ustanovki nazemnogo primeneniya [Conversion of aircraft gas turbine engines to gas turbine installations for ground use]. Samara, SNTs RAN, 2004. 266 p.
Sokolov V.D., Yagudin S.V. Koeffitsiyent raskhoda osesimmetrichnykh suzhayushchikhsya sopl s proizvol’nym konturom [Flow coefficient of axisymmetric tapering nozzles with an arbitrary contour]. Uchenyye zapiski TsAGI, 1975, vol. 5, no. 1, pp. 117-121.
Godunov S.K. Raznostnyy metod chislennogo rascheta razryvnykh resheniy uravneniy gidrodinamiki [The difference method for the numerical calculation of discontinuous solutions of the equations of hydrodynamics]. Matem. sb., 1959, vol. 47(89), no. 3, pp. 271-306.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2020 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
