Численное термогазодинамическое моделирование процесса горения

Введение

Горение – наиболее сложный из всех процессов, происходящих в авиационных двигателях. Его сложность заключается не только в сложнейшем математическом описании процесса, но и в сложности его экспериментального исследования. На процесс горения влияет множество факторов, значительно усложняющих его описание и расчет. Кроме таких факторов как начальные температура и давление на процесс горения влияют состав топливо-воздушной смеси (ТВС) (вид горючего и окислителя, их массовое соотношение, наличие посторонних примесей), интенсивность и степень турбулентности, процессы тепломассообмена и др. Все это значительно осложняет теоретическое описание и экспериментальные исследования [2]. Наилучшие результаты при расчётах процессов горения дают полуэмпирические теории, полученные в результате многочисленных экспериментов. В основном они применимы для определенного диапазона изменения параметров потока и ТВС.

На современном этапе развития компьютерных технологий появляется новая возможность в исследовании процессов горения при помощи расчётов в программных комплексах для трёхмерного термогазодинамического моделирования. Наиболее известным программным комплексом является ANSYS 11.0 CFX.

Задача данного исследования – определение возможности применения программного комплекса ANSYS 11.0 CFX для расчётов процесса горения и оценка достоверности получаемого результата.

Для проверки работоспособности хорошо зарекомендовавшего себя для задач гидрогазодинамики ANSYS 11.0 CFX были смоделированы процессы ламинарного и турбулентного горения в гомогенной предварительно перемешанной ТВС. Это позволяет исследовать только сам процесс горения без отвлечения на процессы распыла топлива и подготовки ТВС.

В качестве критерия, по которому оценивается точность расчёта в ANSYS 11.0 CFX, была выбрана  – нормальная скорость распространения пламени, являющаяся наиболее важной физико-химической характеристикой процесса горения. Были проведены расчеты ламинарного и турбулентного горения паров керосина в потоке воздуха. Расчёты сравнивались с экспериментальными данными, полученными на кафедре АДЭУ  КГТУ им. А.Н.Туполева [1].

Ламинарное горение

Для исследования возможностей программного комплекса ANSYS при расчёте ламинарного горения было проведено моделирование процесса горения в горелке Бунзена [2]. Схема расчётной модели приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема расчётной модели

На данной геометрической модели построена тетраэдрическая конечно-элементная сетка, состоящая из 1 000 000 элементов с призматическим пограничным слоем и с уменьшением размеров элемента в области горения. На вход модели подаётся ТВС (однородная смесь паров керосина и воздуха) со скоростью , температурой  и коэффициентом избытка воздуха  [1]. На выходе из модели – давление . Модель турбулентности , модель горения Finite Rate Chemistry and Eddy Dissipation, химическая реакция JetA Air WD1. В результате серии предварительных расчётов подобраны такие настройки модели горения, которые позволяют проводить подобные расчёты с достаточной точностью. Характеристики воздуха и керосина взяты из базы данных ANSYS 11.0 CFX. Стехиометрический коэффициент – 14,91. Для воспламенения ТВС в начальный момент времени за срезом сопла установлена температура 1500 К.

В процессе расчёта контролировалась температура на выходе из расчётной области. Расчёт останавливался через 50 итераций после стабилизации значений температуры.                               

Результаты серии проведённых расчётов приведены в табл. 1. В результате некоторых расчётов получено, что фронт пламени, располагающийся до среза сопла, находится внутри трубы (что не соответствует экспериментам). Относительные погрешности расчётов по сравнению с экспериментальными данными приведены                       в табл. 1.

На рис. 2 приведено сравнение экспериментальных и расчётных данных. В диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха  от 0,8 до 1,4 расчет дает хорошие результаты. Вне этого диапазона расчетная скорость распространения фронта пламени завышена (горение происходит до сопла). При этом характер расчетной кривой сохраняется правильным, что соответствует экспериментальным данным. При расчётах с низкой начальной температурой (до ) точность расчётов вполне приемлемая для моделирования столь сложного процесса (около 10 %), при расчётах с высокой начальной температурой ( и ) погрешность расчётов возрастает (до 24 %).

Таблица 1

Результаты и относительная погрешность расчёта

Рис. 2. Сравнение экспериментальных и расчётных данных

Турбулентное горение

Турбулентное горение – наиболее распространённый вид горения в авиационных двигателях. В узлах авиационных двигателей, где происходит горение (основная и форсажная камеры сгорания), скорость потока достигает сотен метров в секунду. Скорость распространения ламинарного пламени – не более двух метров в секунду, турбулентного – в определенных случаях десятки метров в секунду. Для стабилизации горения в авиадвигателях применяют различные устройства, создающие зону обратных токов и одновременно увеличивающие турбулентность потока (например, V-образные стабилизаторы).

Для исследования возможностей программного комплекса ANSYS при расчёте турбулентного горения был смоделирован процесс горения в нишевом стабилизаторе. Схема расчётной модели приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема расчётной модели

Расчётная модель представляет собой ¼ часть всей модели. На данной геометрической модели построена тетраэдрическая конечно-элементная сетка, состоящая из 300 000 элементов с призматическим пограничным слоем и с уменьшением размеров элемента в области горения.

На вход модели подаётся ТВС (однородная смесь паров керосина и воздуха) со скоростью , температурой  и коэффициентом избытка воздуха  [1]. На выходе из модели – давление . На внутренних гранях установлены условия симметрии. Модель турбулентности, модель горения и другие настройки аналогичны перечисленным в расчёте ламинарного горения.

Результаты серии проведённых расчётов и погрешности относительно экспериментальных данных приведены в табл. 2.

Таблица 2

 Результаты и относительная погрешность расчётов

На рис. 4 приведено сравнение экспериментальных и расчётных данных.

Рис. 4. Сравнение экспериментальных и расчётных данных

Выводы

Проведены расчёты по определению скорости распространения пламени при ламинарном и турбулентном горении.  Полученная погрешность определения скорости распространения пламени при ламинарном горении в диапазоне  от 0,8 до 1,4 при расчётах с начальной температурой до  составляет менее 10 %, вне этого диапазона погрешность расчёта увеличивается до 24 %. Погрешность при определении скорости распространения пламени при турбулентном горении в том же диапазоне  составляет около 10 %, вне этого диапазона – около 20 %. В ходе проведенной работы установлено, что программный комплекс ANSYS 11.0 CFX вполне применим для расчётов процессов горения. Данные расчёты могут быть проведены с большей точностью при использовании более мелкой сетки и других моделей горения. Для применения данного программного продукта для расчётов процессов горения, происходящих в основной и форсажной камерах сгорания авиационных двигателей, необходимо провести дополнительные исследования на моделях более приближенных к процессам, происходящим в авиационных двигателях.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ.

Список литературы

1. Мингазов, Б. Г. Внутрикамерные процессы и автоматизированная доводка камер сгорания ГТД / Б.Г.Мингазов.— Казань: Казан. гос. технич. ун-т им.А.Н.Туполева, 2000.—167 с.

2. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. –  566 с.