Гибридная методика определения характеристик распыла жидкого топлива центробежными форсунками камер сгорания авиационных ГТД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Гураков Никита Игоревич

• Гураков Никита Игоревич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Гураков Никита Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА РАСПЫЛА ТОПЛИВА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1 Экспериментальные исследования характеристик распыла

1.2 Полуэмпирические методики расчёта характеристик центробежных форсунок

1.3 Исследование характеристик распыла с помощью методов численного моделирования двухфазных потоков

1.3.1 Метод Лагранжа

1.3.2 Метод Эйлера

1.3.3 Гибридные методы исследования распыла топлива

Заключение по первой главе

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ И УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАСПЫЛА И ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА

2.1 Экспериментальный стенд для исследования расходно-геометрических характеристик центробежных топливных форсунок

2.1.1 Стендовое оборудование для исследования расходных характеристик форсунок и угла факела распыла

2.1.2 Экспериментальный стенд для определения средних по Заутеру диаметров капель

2.1.3 Объекты исследований

2.1.4 Разработка программного кода в среде МАТЬАВ для обработки экспериментальных данных по определению угла факела распыла

2.2 Экспериментальный стенд для исследования характеристик прцессов горения

2.2.1 Описание стендового оборудования для исследования характеристик модельной камеры сгорания

2.2.2 Метод отбора проб на химический анализ продуктов сгорания и эмиссии вредных веществ

Заключение по второй главе

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ТОПЛИВА В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ФОРСУНКАХ

3.1 Описание математической модели для исследования течения топлива в центробежной форсунке

3.2 Рекомендации по использованию модели объёма жидкости для расчета характеристик течения топлива в центробежных форсунках

3.3 Расчётно-экспериментальное исследование по определению характеристик течения в сопле центробежных топливных форсунок

Заключение по третьей главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА И ВАЛИДАЦИЯ ГИБРИДНОЙ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО ПО ЗАУТЕРУ ДИАМЕТРА КАПЕЛЬ ПРИ РАСПЫЛЕ ТОПЛИВА ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ ФОРСУНКАМИ

4.1 Формирование гибридной методики для определения среднего по Заутеру диаметров капель

4.2 Расчётно-экспериментальное исследование по определению среднего по Заутеру диаметров капель при распыле топлива центробежными форсунками

4.3 Определение параметров диаграммы распределения Розина-Раммлера для исследуемых центробежных форсунок

Заключение по главе

ГЛАВА 5 РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАСПЫЛА ЖИДКОГО ТОПЛИВА НА ЭМИССИОННЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ КАМЕР СГОРАНИЯ ГТД

5.1 Математическая модель для определения эмиссии вредных веществ при горении испарённого жидкого топлива в камере сгорания

5.2 Определение эмиссии оксида углерода в модельной камере сгорания

5.3 Определение эмиссии оксида углерода и несгоревших углеводородов в камере сгорания авиационного двигателя АИ-25

Заключение по пятой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гибридная методика определения характеристик распыла жидкого топлива центробежными форсунками камер сгорания авиационных ГТД»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Загрязнение атмосферы Земли веществами, образованными вследствие сжигания углеводородного топлива, является одной из глобальных проблем человечества и в последние десятилетия жёстко регламентируется различными международными организациями (например, международной организацией гражданской авиации, ICAO). Рост интенсивности пассажирских и транспортных перелётов приводит к увеличению негативного воздействия на окружающую среду продуктов сгорания авиационных топлив, источником выбросов которых являются авиационные газотурбинные двигатели (ГТД). Узлом, отвечающим за образование вредных веществ, является камера сгорания (КС), так как именно в ней происходят процессы сгорания углеводородного топлива в двигателе.

Для прогнозирования эмиссионных характеристик КС разработаны различные методики, самыми перспективными из которых являются CFD методы моделирования. Важным фактором, влияющим на характеристики процессов горения, в том числе, образование загрязняющих веществ в КС, является распыл топлива, который в современных авиационных двигателях обеспечивается различными типами форсунок, в основном центробежными форсунками. Поэтому, при формировании математической модели рабочего процесса в камерах сгорания ГТД, необходимо достаточно точно определять граничные условия для моделирования процесса впрыска жидкого топлива в первичную зону КС, такие как: угол распыла, расходная характеристика, средний диаметр капель, начальная скорость движения капель и другие. Для определения параметров, характеризующих распыл жидкого топлива центробежными форсунками, обычно используют полуэмпирические методы. При этом границы применимости полуэмпирических методик, как правило ограничены теми параметрами режимов работы двигателя, форсуночных устройств и характеристик топлива, для которых они были разработаны. Поэтому полуэмпирические методики не являются универсальными и не охватывают все возможные конструктивные решения для центробежных топливных форсунок (ЦБТФ) и не учитывают изменения

физических свойств топлив на различных эксплуатационных режимах. Параметры, характеризующие распыла топлива, можно получить экспериментально, но для проведения подобных исследований необходимо изготовить опытный образец форсуночного устройства и обеспечить необходимые стендовые условия проведения экспериментов, что связано с существенными материальными и временными затратами. Решение данной задачи возможно при использовании методов вычислительной газовой динамики (CFD) для расчёта течения жидкости внутри форсунки, формирования конуса топливного факела на выходе из её сопла и последующего распада плёнки жидкости на отдельные капли. Однако подобные модели требуют значительных вычислительных ресурсов, применяются в фундаментальных исследованиях и недоступны в инженерной практике. Рациональным выходом является применение гибридных методов, использующих при оптимальном сочетании преимущества CFD моделей и полуэмпирических соотношений. Поэтому, разработка гибридной методики расчёта характеристик центробежных форсунок является актуальной задачей.

Степень разработанности темы.

В разработку методов определения характеристик распыла топлива существенный вклад внесли такие исследователи как: Н. Домбровски, Б. Раушенбах, Л. Витман, Ю. Хавкин, Ю. Дитякин, Г. Симмонс, А. Лефевр, Н. Ризк, Г. Абрамович, Г. Коуто, В. Третьяков, А. Диденко, А. Сипатов, М. Халдер, С. Ким, С. Вэй, Ю. Куценко, Е. Строкач и другие.

Н. Домбровски, Б.В. Раушенбах, Г. Абрамович, А. Лефевр, Г. Коуто и другие на основе исследования течения жидкости внутри форсунки и процессов распада струи (или плёнки) разработали первые полуэмпирические методики, позволяющие получать характеристики распыла топлива форсунками. Однако, разработанные методики имели ряд допущений, в частности, в них отсутствовал учёт гидравлических потерь в элементах форсунки. Ю. Дитякин, А. Диденко, С. Вэй и другие, развили полуэмпирические методики с учётом гидравлических потерь в элементах форсунки. Однако построенные на основе этих обобщений прогностические модели зависят от эмпирических коэффициентов, справедливых

в сравнительно узком диапазоне режимных параметров и геометрических характеристик форсунок.

Начиная с работ Т. Менарда, М. Геррмана, А. Сипатова, С. Сербина и других, были предложены методы численного моделирования процессов распада топливной струи для определения характеристик распыла. К сожалению, для центробежных форсунок, с учетом их разнообразия, не разработано верифицированных расчётных методик, работающих в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров, а также учитывающих свойства используемой жидкости.

В последнее время, активно ведутся работы по разработке гибридных методик определения характеристик распыла топлива, которые сочетают в себе численные и полуэмпирические методы. Такие методы предложены в работах Ю. Куценко, Т. Иноуэ, Е. Строкача, К. Баде и других. Несмотря на существование данных методов, их применимость в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров центробежных форсунок до сих пор остаётся открытым вопросом.

Цель работы: повышение эффективности проектирования камер сгорания авиационных ГТД, за счет разработки и применения гибридной методики определения параметров, характеризующих распыл топлива, на основе численных методов трёхмерного моделирования двухфазных потоков и полуэмпирических методик расчёта центробежных форсунок.

Задачи работы:

1. Экспериментальное исследование зависимостей коэффициента расхода сопла и угла факела распыла топлива от геометрических и режимных параметров центробежной форсунки, а также от свойств используемой жидкости.

2. Разработка и валидация алгоритма численного расчёта расходной характеристики, угла факела распыла и толщины топливной плёнки центробежной форсунки с использованием метода объёма жидкости (VOF).

3. Разработка и валидация гибридной методики расчёта среднего диаметра капель и распределения капель по размерам при распыливании топлива центробежными форсунками.

4. Расчётно-экспериментальное исследование эмиссионных характеристик модельной камеры сгорания и камеры сгорания в составе авиационного ГТД с использованием разработанной гибридной методики расчёта центробежных форсунок.

Объект и предмет исследования: Объектом исследования является процесс течения двухфазных сред в центробежных форсунках, предметом исследования является определение параметров, характеризующих распыл жидкого топлива центробежными форсунками КС авиационных ГТД.

Научная новизна:

1. Новые экспериментальные данные о расходно-геометрических характеристиках распыла топлива центробежными форсунками камер сгорания авиационных ГТД в зависимости от геометрических и режимных параметров, а также от свойств используемой жидкости.

2. Новая методика обработки экспериментальных данных, отличающаяся использованием современных методов распознавания изображений, позволяющая более информативно и точно проводить измерения угла факела распыла топлива.

3. Новая гибридная методика, отличающаяся сочетанием методов моделирования двухфазных потоков внутри форсунки и полуэмпирических методик расчёта размеров капель в топливном факеле, позволяющая определять основные параметры, характеризующие распыл топлива центробежными форсунками, такие как: коэффициент расхода сопла, угол распыла первичного топливного факела, толщина топливной плёнки на срезе сопла, средний диаметр капель Ф32), а также распределение капель по размерам и начальная скорость их движения.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается в результатах выявлении зависимостей параметров распыла жидкого топлива от режимных и

конструктивных параметров, свойств используемого топлива и результатах определении характеристик распыла при переходных режимах истечения топлива из центробежных форсунок.

Практическая значимость результатов работы заключается в возможности прогнозирования распределение диаметров капель без проведения экспериментальных исследований, за счёт разработанной гибридной методики расчёта характеристик распыла, основанной на сочетании численных методов расчёта двухфазных потоков и полуэмпирических методик расчёта ЦБТФ.

Разработанная гибридная методика расчёта характеристик распыла авиационного топлива позволяет улучшить прогностическую способность при моделировании процессов горения в камерах сгорания авиационных двигателей, что существенно повышает эффективность проектирования или доводки камер сгорания газотурбинных двигателей.

Результаты диссертации нашли практическое применение при выполнении исследований в рамках договора с АО «ОДК» «Гибридная методика расчёта параметров распыла авиационного топлива в камерах сгорания ГТД» по договору №1700-06-20-026424 от 17 марта 2020 г. о предоставлении научной стипендии на выполнение работы соответствующей перечню перспективных технологий, определённых Стратегией развития АО «ОДК».

Результаты диссертации также используются в рамках решения одной из задач гранта Российского научного фонда № 21-19-00876 «Разработка моделей нагрева и испарения капель суррогатов керосина».

Методы исследования:

1. Методы экспериментального определения параметров, характеризующих распыл жидкого топлива и эмиссионных характеристик камер сгорания авиационных ГТД.

2. Методы обработки экспериментальных данных с помощью современных технологий распознавания изображений.

3. Полуэмпирические методы определения параметров, характеризующих распыл жидкого топлива.

4. Методы трёхмерного моделирования двухфазных потоков, основанные на подходе Эйлера.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований зависимости расхо дно-геометрических параметров распыла авиационного топлива от геометрических и режимных параметров центробежных форсунок, а также от свойств используемой жидкости.

2. Методика обработки результатов экспериментов по определению угла факела распыла топлива с помощью разработанного программного кода в среде MATLAB.

3. Гибридная методика расчёта параметров, характеризующих распыл топлива центробежными форсунками авиационных ГТД, включающая в себя методы CFD моделирования двухфазных потоков и полуэмпирические методы расчёта ЦБТФ.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

• применением сертифицированного программного комплекса MATLAB (США);

• применением сертифицированного коммерческого программного комплекса ANSYS Fluent (США), верифицированного на задачах расчёта газодинамических реагирующих течений по результатам сравнения с экспериментальными данными, полученными в научно-образовательном центре газодинамических исследований Самарского университета;

• использованием в экспериментальном исследовании аттестованного и поверенного измерительного оборудования;

• высоким уровнем согласования результатов численного моделирования с данными, полученными в ходе экспериментальных исследований форсуночных устройств, модельных камер сгорания и натурного авиационного ГТД.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались на Международной НТК «International Conference on Renewable Energy and Environment Engineering» (REEE 2018) (Париж, 2018 г.),

Международной НТК «ASME 2019 Gas Turbine India Conference» (GTINDIA 2019) (Ченнаи 2019 г.), Всероссийской НТК молодых учёных и специалистов «Авиационные двигатели и силовые установки» (Москва, 2019 г.); Всероссийской НТК «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» (Самара, 2019 г.); Международной НТК «International Conference on Aviation Motors» (ICAM 2020) (Москва, 2021 г.); Международной НТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2021 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ, в том числе 2 статьи в периодическом издании, включённом в список ВАК, 6 статей в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, 4 публикации в материалах конференций.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 127 наименований и 1 приложения. Основной текст 157 страниц, 79 иллюстраций и 12 таблиц.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА РАСПЫЛА ТОПЛИВА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Одной из важнейший среди глобальных задач человечества является сохранение природных ресурсов и улучшение экологии. Существенный вклад в загрязнение окружающей среды вносят транспортные системы, в том числе авиационные. Рост интенсивности пассажирских и транспортных перелётов приводят к увеличению негативного воздействия на атмосферу Земли продуктами сгорания авиационных топлив (рисунок 1.1), источником выбросов которых являются авиационные газотурбинные двигатели (рисунок 1.2-1.3). Количество выбросов вредных веществ жёстко регламентируется международными и национальными организациями, в том числе для гражданской авиации Международной организацией гражданской авиации (1САО) (рисунок 1.2) [72]. Государственная программа Российской Федерации «Развитие авиационной промышленности на 2013-2025 годы» [23] ставит задачи продвижения продукции отечественной авиационной промышленности на внутреннем и внешнем рынках; создания новых двигателей, обеспечивающих конкурентоспособность авиационной техники на мировом уровне; создания научно-технического задела, обеспечивающего мировое лидерство в двигателестроении. Выполнение поставленных задач невозможно без последовательного улучшения эмиссионных характеристик авиационных двигателей.

600

X X

о

0^-.--.--.--.--.--

2005 2010 2015 2020 2025 2030

Год

Рисунок 1.1 - Количество сгоревшего авиационного топлива в мире по годам в

млн. тонн [72]

50-

40-

30 -

5 20Н

_Q О

<U

П юн

0-

— со • НС ■ 1 1

|\их >

1

1

1 ■ I 1

■ \

100

200 Тяга, кН

300

400

Рисунок 1.2 - Эмиссия вредных веществ двигателя Pratt &Whitney PW4084 [72]

30 40

Рисунок 1.3 - Нормы на выбросы оксидов азота [72] Камера сгорания (КС) является основным узлом газотурбинного двигателя, в котором происходят такие процессы как распыл жидкого топлива, испарение, смешение топлива и окислителя, процесс горения и образование вредных веществ. Распыл жидкого топлива форсунками является важной составляющей рабочего процесса в камерах сгорания [8, 15, 16, 52, 57, 104], в том числе, в значительной степени влияющий на экологические характеристики двигателей. Наиболее распространённым типом форсунок, используемых для распыла жидкого топлива в КС газотурбинных двигателей, являются центробежные топливные форсунки (ЦБТФ) [8, 15, 16], разработки которых в основном происходят за счёт применения полуэмпирических методик и экспериментальной доводки опытных образцов. Параметром, характеризующим качество процесса распыла является размер капель

в топливном факеле, который принято оценивать с помощью среднего по Заутеру диаметра капель (Б32) [1, 3, 10, 16, 60, 70, 79].

В различных исследованиях показано, что качество распыла топлива и основные характеристики топливных форсунок существенным образом влияют на эмиссию вредных веществ камерами сгорания ГТД. Так в работе [87] оценивалось влияние среднего диаметра капель на выбросы вредных веществ при различном коэффициенте избытка топлива (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Влияние мелкости распыливания топлива на экологические

характеристики КС [87] Из рисунка видно, что при увеличении диаметров капель, эмиссия таких веществ как КОх, СО и сажа увеличивается. Подобный вывод сделан и в работе [99], где показана зависимость выбросов N0 от среднего диаметра капель В32 при различных уровнях давления в камере сгорания и постоянном значении коэффициента избытка топлива (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Влияние мелкости распыла топлива на экологические

характеристики КС [99]

Из рисунка видно, что наиболее сильное влияние качества распыла топлива на выбросы N0 наблюдается при давлениях в камере сгорания выше 1 мПа.

В работе [57] показано, что кроме среднего диаметра капель, на выбросы вредных веществ так же оказывает влияние и угол факела распыла (Рисунок 1.6)

эмо, цт эмо, дт

Рисунок 1.6 - Влияние среднего размера капель (БЫЛ) и угла факела распыла

на экологические характеристики КС [57] Анализируя рисунок 1.6, можно сказать, что увеличение угла факела распыла, приводит к снижению эмиссии СО, но в то же время к увеличению КОх, поэтому учёт данной характеристики топливной форсунки крайне необходим при оптимизации КС по комплексу выбросов вредных веществ.

Кроме этого, как показано в работе [91] мелкость распыла влияет на распределение температурного поля в камере сгорания. На рисунке 1.7 показано изменение температурных полей при изменении размеров капель для различных соотношений топлива и воздуха в камере сгорания.

Из рисунка видно, что при увеличении диаметров капель, размер высокотемпературных зон в жаровой трубе уменьшается вплоть до полного их исчезновения при среднем диаметре капель 110 мкм.

Из результатов, полученных в рассмотренных работах, можно заключить, что определение параметров распыла топлива, таких как угол факела распыла, средний диаметр капель по Заутеру (БЫЛ или В32) и других имеет большое значение на этапе проектирования камеры сгорания, так как они оказывают значительное влияние на характеристики КС.

5МО=ПО ткгоп 5М0= 110 гтгоп 5МО=ПО ткгоп

Г/а=0.0072 Г/а=0.0054 М.ООЗб

Рисунок 1.7 - Влияние мелкости распыла топлива на распределение температур в

камере сгорания [91] Далее рассмотрим основные методы, которые используют для определения характеристик распыла: экспериментальные исследования, полуэмпирические методики и моделирование двухфазных потоков в трёхмерной нестационарной постановке.

1.1 Экспериментальные исследования характеристик распыла

Одним из традиционных способов определения характеристик распыла жидкости из форсунок является проведение экспериментальных исследований. Однако для его использования необходимо иметь стенд, оборудованный системой подачи топлива (насос, топливная магистраль), высокоточного измерительного оборудования (расходомеры, датчики давления, системы захвата изображений и др.), а также опытных образцов форсуночных устройств. К тому же, при проведении экспериментов на углеводородном топливе, стенд должен быть оборудован системой удаления и утилизации паров жидкости, а экспериментаторы

средствами индивидуальной защиты органов дыхания. Тем не менее, экспериментальные исследования являются неотъемлемой частью доводки и сертификации форсуночных устройств, а также формируют банк данных для валидации разрабатываемых математических моделей распыла топлива. Далее приведены работы по экспериментальному определению расходной характеристики и угла факела распыла жидкого топлива, толщины топливной пленки и среднего диаметра капель.

Измерение расходной характеристики

Базовой характеристикой топливных форсунок камер сгорания, как и любых других форсуночных устройств различных конфигураций, типов и назначения -является расходная характеристика. Измерение расходной характеристики присутствует во всех работах, посвящённых исследованию структуры течения из форсуночных устройств [8, 11, 14, 61, 67]. Классическим методом определения расходной характеристики является весовой метод, когда замеряется время истечения жидкости в сосуд, затем сосуд взвешивается и полученное значение массы относится ко времени [11]. Погрешность такого метода составляет до 5% и уступает наиболее точному методу измерений с помощью современных расходомеров и датчиков давления (погрешность до 0,2 %), который используется в работах [61, 67].

Измерение угла факела распыла

Другой важной характеристикой центробежных форсунок является угол факела распыла. В основном угол факела определяют несколькими способами. Одним из них является теневой метод, он заключается в том, что конус подсвечивается источником света, тень конуса проецируется на прозрачный экран, после чего можно либо обвести контур конуса, либо использовать фототехнику и затем измерить значение полученного угла [11]. Также в литературе часто встречается метод, где угол факела определяют косвенно через средний радиус орошения. Для фиксации радиуса орошения каплями используется система мерных колб, которая устанавливается на определённом расстоянии от среза сопла форсунки [8]. Другой наиболее часто применяемый в последнее время способ - это

метод непосредственного фотографирования факела распыла с помощью высокоскоростных камер для последующей обработки полученного изображения программными средствами (Компас, MATLAB и др.) [67, 117]. Соответственно для решения задачи обработки экспериментальных данных, необходимо разработать программный код, например в среде MATLAB, позволяющую определять значения угла конуса распыла топлива, с достаточной точностью.

В таблице 1.1 представлены работы, в которых были проведены эксперименты по определению угла факела распыла с помощью видеокамер.

Таблица 1.1 - Эксперименты по определению угла факела распыла жидкости

Авторы АР (атм) Расход жидкости, г/с Тип жидкости Диаметр сопла форсунки, de; (ММ) Метод фиксации

Xiao Wei, Huang Yong [116] 4-12 2 - 100 вода, керосин 0,4; 0,6; 1; 2; 3 в/с камера

Xiwei Wang, Yong Huang, Lei Sun [117] 4; 6; 8 2,1 - 4,3 вода в/с камера, MATLAB

Егорычев В.С. [11] 0,5 7,68 вода 4 камера

B. A. Sforzo,

A. L. Kastengren et al. 9,65 6,48 вода в/с камера

[43]

Gustavo Alexandre, Achilles Fischer et al. [67] 5 9,55 этанол 0,9 камера, GUI в MATLAB

Из данной таблицы видно, что для измерения угла факела распыла часто

используется видеосъёмка. Для обработки результатов видеосъёмки отдельными авторами [67, 117] используется метод определения угла с помощью специального кода программы в среде MATLAB (рисунок 1.8). Программный код, используемый

в данной работе, может быть, модифицирован для получения осреднённых по времени значений угла факела распыла.

Рисунок 1.8 - Определение угла факела распыла в программе МЛТЬЛБ [117]

Также из таблицы 1.1 видно, что большинство экспериментов проводятся с использованием воды или спиртов. В меньшей степени в качестве рабочей жидкости применяется керосин, являющийся основным топливом авиационных газотурбинных двигателей.

Измерение толщины топливной плёнки

Исследование толщины топливной плёнки в сопле форсунки связано со значительными сложностями для форсунок малого диаметра. Для получения значений толщины топливной плёнки в сопле необходимо изготавливать образцы сопла форсунок из прозрачных материалов для возможности фотографирования процесса образования воздушного вихря [49] (рисунок 1.9). При этом для форсунок с малым диаметром сопла (до 1 мм) такой метод практически невозможно реализовать.

Рисунок 1.9 - Изображение течения жидкости в сопле форсунки [49] Также, в процессе обзора, не было обнаружено работ с применением данного метода для исследования толщины топливной плёнки керосина.

С другой стороны, известны работы, где толщина плёнки жидкости измеряется с помощью двух расположенных параллельно друг другу электрических датчиков (рисунок 1.10.) Сущность данной техники измерения состоит в замере электрической проводимости между электродами, расположенными в выпускном отверстии [80].

liquid film electrode

—Data acquisition -

Рисунок 1.10 - Метод замера толщины топливной плёнки с помощью электродов

[80]

Поскольку электропроводность воды известна, это измерение обеспечивает прямое определение средней толщины жидкостной пленки потока между двумя

электродами. Данный метод использован в работе, в которой размер сопла форсунок был значителен (более 3 мм в диаметре), а в качестве рабочей жидкости использовалась вода. При этом неизвестна работоспособность данного метода на форсунках малых диаметров, а также сложно предсказать как поведёт себя керосин при проведении через него электрического сигнала. Таким образом прямое экспериментальное определение толщины топливной плёнки при истечении керосина из форсунок с малым (до 1мм) диаметром сопла весьма затруднительно.

Поэтому значения толщины топливной плёнки целесообразно определять косвенными методами с помощью полуэмпирических методик, по известным геометрическим параметрам форсунки, а также по значениям расходной характеристики и угла факела распыла.

Измерение диаметров капель

Определение среднего диаметра капель так же является сложной задачей, поскольку сформированный в следе за форсункой топливный факел обычно имеет достаточно плотную структуру, насыщенную движущимися с высокой скоростью каплями различного размера. Далее рассмотрены наиболее часто применяемые экспериментальные способы определения среднего по Заутеру диаметра капель

^32).

В настоящее время используют несколько методов определения диаметра капель. Один из наиболее часто применяемых методов является измерение с помощью лазерного доплеровского измерителя скорости (ЛДИС), или как его часто называют лазерного доплеровского анемометра (ЛДА) [9]. Эти приборы предназначены для измерения скорости потока, диаметров частиц (или капель) в потоке, а также характеристик турбулентности потока. Принципиальная схема лазерной анемометрической системы приведена на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 - Схема измерения с помощью ЛДА

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гураков Никита Игоревич, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Абрамович, Г.Н. Теория турбулентных струй [Текст]/Г.Н. Абрамович, Т.А. Гиршович, С.Ю. Крашенинников, А.Н. Секундов, И.П. Смирнова. - М.: Наука, 1984. - 716 с.

2 Богачева, Д.Ю. Моделирование внутреннего (завесного) охлаждения ракетного двигателя малой тяги на экологически чистых газообразных компонентах топлива [Текс]: дис. ... канд. техн. наук: 05.07.05./Богачева Дарья Юрьевна. - М., 2014. - 139 с.

3 Витман, Л.А. Распыливание жидкости форсунками [Текст]/Л.А. Витман, Б.Д. Кацнельсон, И.И. Палеев. - Ленинград, 1962.-265 с.

4 Волков, К.Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений [Текст]/ К. Н. Волков, В. Н. Емельянов. - М.: Физматлит, 2008. - 364 с.

5 Горбунов, Г.М. Рабочий процесс и расчет камер сгорания газотурбинных двигателей [Текст]/Г.М. Горбунов, А.И. Михайлов, В.В. Борисов, Л.А. Квасников, Н.И. Марков. - М: Оборонгиз, 1959. - 286 с.

6 Гураков, Н. И. Исследование влияния плотности расчетной сетки вблизи сопла центробежной форсунки на результаты расчета угла распыла в трехмерной постановке [Текст]/ Н. И. Гураков, М. Э. Моралес, И. А. Зубрилин, Д. В. Якушкин, В. А. Шафрова // Процессы горения, теплообмена и экологии тепловых двигателей. сб. тезисов XI Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, 2019. - С. 25-26.

7 Гураков, Н. И. Расчёт характеристик течения жидкого топлива при его подаче через центробежные форсунки малоразмерных газотурбинных двигателей [Текст]/ Н. И. Гураков, И. А. Зубрилин, М. Эрнандэс Моралес, Д. В. Якушкин, А. А. Диденко, С. Г. Матвеев, Ю. В. Комисар //Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2021. - Т. 20, №. 2. - С. 19-35.

8 Диденко, А.А. Исследование качества распыливания топлива и его влияния на характеристики камер сгорания малоразмерных ГТД [Текст]: дис. на

соискание учёной степени канд. тех. наук: 05.07.05.: защищена 12.02.96./Диденко Алексей Александрович. - Самара, 1996. - 267 с.

9 Диденко, А. А. Лазерно-оптические методы диагностики процессов горения [Текст]: учеб. пособие/ А. А. Диденко, В. В. Бирюк, С. Г. Матвеев, С. В. Лукачев // Самара: Изд-во Самарского государственного аэрокосмического университета, 2006. - 189 с.

10 Дитякин, Ю.Ф. Распыливание жидкостей [Текст]/Ю.Ф. Дитякин, Л.А. Клячко. - "Машиностроение", 1977.-209 с.

11 Егорычев, В.С. Исследование жидкостных центробежных форсунок ДЛА [Текст]/В.С. Егорычев В.В. Лапшин. - Самара: Издательство Самарского государственного аэрокосмического университета, 2016. - 24 с.

12 Зубрилин, И. А. Влияние процесса горения на структуру закрученного потока за горелочным устройством камеры сгорания газотурбинной установки [Текст]/ И. А. Зубрилин, А. А. Диденко, Д. Н. Дмитриев, Н. И. Гураков, М. Эрнандэс Моралес //Вестник Московского авиационного института, 2019. - Т. 26, №. 3. - С. 124-136.

13 Куценко, Ю.Г. Методы расчёта и анализа для моделирования процесса распыла жидкого топлива [Текст]/Ю. Г. Куценко//Сборник трудов X Международной научно-технической конференции, 2017. - С. 32-33.

14 Ланский, А. М. Исследование распыливания топлива пневмомеханическими форсунками [Текст]/ А. М. Ланский, С. В. Лукачев, С. Г. Матвеев //Труды МАИ, 2012. - №. 57. - С. 1-9.

15 Ланский, А.М., Рабочий процесс камер сгорания малоразмерных ГТД [Текст]/А.М. Ланский, С.В. Лукачёв, С.Г. Матвеев. - Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2009. - 334 с.

16 Лефевр, А. Процессы в камерах сгорания ГТД [Текст]/А. Лефевр. - М.: Мир, 1986. - 566 с.

17 Лукачев С.В. Выброс канцерогенов при сжигании углеводородных топлив: учеб. Пособие [Текст] / С.В. Лукачёв, А.А Горбатко, С.Г Матвеев. - М: Машиностроение, 1999. - 153 с.

18 Лукачев, С. В. Достижения НИЛ-49 (СГАУ) в технике диагностики качества распыливания топлива [Текст]/ С. В. Лукачев, А. М. Ланский,

A. А. Диденко //Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей, 1998. - С. 246-257.

19 Матвеев, С.С. Методика определения эмиссии оксидов углерода камерами сгорания газотурбинных двигателей с использованием детальной химической кинетики окисления суррогатов керосина [Текст]: дисс. канд. тех. наук: 05.07.05 /Матвеев Сергей Сергеевич. - Самара, 2017. - 175 с.

20 Мингалев, С. В. Применение численных методов для доводки камер сгорания авиационных двигателей по характеристикам распыла топлива [Текст]/С.

B. Мингалев, М. Г. Казимарданов//Труды МАИ, 2021. - №117. - С. 1-23.

21 Москалев, Л. Н. Исследование центробежной форсунки малой производительности [Текст]/Л.Н. Москалев, С.И. Поникаров, В.В. Алексеев, И.И. Поникаров//Вестник Казанского технологического университета, 2012. - Т. 15, № 18. - С. 189-191.

22 Пат. №182039 Рос. Федерация. Пробоотборник с жидкостным охлаждением [Текст] / Н.С. Миронов, В.М. Анисимов, С.С. Матвеев, И.В. Чечет, В.Ю. Абрашкин, М.Ю. Анисимов, С.Г. Матвеев; заявитель и патентообладатель Самар. науч.-ислед. ун-т. - № 2018114194; заявл. 17.04.18; опубл. 01.08.18.

23 Постановление Правительства Российской Федерации от 15 апреля 2014 г. № 303 «Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Развитие авиационной промышленности на 2013-2025 годы» [Текст].

24 Раушенбах, Б.В., Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей [Текст] / Б.В. Раушенбах, С.А. Белый, И.В. Беспалов, В.Я. Бородачев, М.С. Волынский, А.Г. Прудников - М.: Машиностроение, 1964. - 526 с.

25 Сипатов, А. М. Моделирование процесса распыла с использованием адаптивных сеточных моделей [Текст]/А. М. Сипатов, С. А. Карабасов, Л. Ю. Гомзиков, Т. Н. Абрамчук, Г. Н. Семаков //Вычислительная механика сплошных сред, 2015. - Т. 8, № 1. - С. 93-101.

26 Снегирёв, А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений [Текст]/ А.Ю. Снегирёв. - СПб.: Издательство Политехнического университета, 2009. - 143 с.

27 Строкач, Е. А. Численное моделирование рабочего процесса в камере сгорания ракетного двигателя малой тяги с центробежными форсунками [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 05.07.05/Е. А. Строкач. - Москва, 2017. - 144 с.

28 Формирование детального кинетического механизма окисления выбранных суррогатов керосина и их валидация на модельных пламёнах [Текст]: отчёт о НИР (промежуточн.) / Самарский университет; рук. Е.А. Щепакина; исполн.: С.Г. Матвеев [и др.]. - Самара, 2017. - 298 с. - № ГР АААА-А16-116111610210-7.

29 Хавкин, Ю.И. Центробежные форсунки [Текст]/Ю.И. Хавкин. - Л.: Машиностроение, 1976. - 168 с.

30 Храбрый, А.И. Численное моделирование нестационарных турбулентных течений жидкости со свободной поверхностью [Текст]: Дис. ... канд. техн. наук: 01.02.05/Храбрый Александр Иосифович. - Санкт-Петербург, 2014. -154 с.

31 Чечет, И.В. Методика определения эмиссии канцерогенных ароматических углеводородов камерами сгорания газотурбинных двигателей и установок [Текст]: дисс. канд. тех. наук: 05.07.05 / Чечет Иван Викторович. -Самара, 2018. - 149 с.

32 Юн, А.А. Расчет и моделирование турбулентных течений с теплообменом, смешением, химическими реакциями и двухфазных течений в программном комплексе Fastest-3D [Текст]/А. А. Юн, Б. А. Крылов. -М.: МАИ, 2007. - 115 с.

33 Alsulami, R. A. Effects of varying liquid fuel and air co-flow rates on spray characterisation of an annular co-flow spray burner [Text]/R. A. Alsulami, S. Nates, W. Wang, S. H. Won, Bret Windom//Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. - American Society of Mechanical Engineers, 2019. - V. 58622. - P. V04BT04A005.

34 Amini G. Liquid flow in a simplex swirl nozzle. [Text]/ International Journal of Multiphase Flow ,2016. - V.79. - C. 225-235.

35 Andreini, A. Assessment of scale resolved CFD methods for the investigation of lean burn spray flames [Text]/A. Andreini, D. Bertini, L. Mazzei, S. Puggelli//ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. - American Society of Mechanical Engineers, 2016. - V. 49750. -P. V04AT04A057.

36 Ansys Inc. http://www.ansys.com/

37 Ashgriz, N. Handbook of atomization and sprays. Theory and applications. [Text]/N. Ashgriz. - Springer Science, 2011. - 905 p.

38 Babu K. R. Design of Swirl Chamber Atomisers [Text] / K. R. Babu, M. V. Narasimhan, K. Narayanaswamy //International Journal of Turbo and Jet Engines, 1987. - V. 4, №. 1-2. - P. 81-84.

39 Bade, K. M. Experimental and computational study of a spray at multiple injection angles [Text]/ K. M. Bade, K. J. Brown, W. Kalata, R. J. Schick//ILASS Americas, 2010. - P. 1-9.

40 Benjamin, M. A. Film thickness, droplet size measurements and correlations for large pressure-swirl atomizers [Text]/M. A. Benjamin, A. Mansour, U. G. Samant, S. Jha, Y. Liao, T. Harris, S. M Jeng//ASME 1998 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition. - American Society of Mechanical Engineers Digital Collection, 1998. - P. 1-8.

41 Bishop, C. K. Effects of Fuel Nozzle Condition on Gas Turbine Combustion Chamber Exit Temperature Distributions [Text]/ C. K. Bishop, D. W. Allan // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2010. - V. 43970. - P. 1147-1157.

42 Brackbill, J. U. A continuum method for modeling surface tension [Text]/ J. U. Brackbill, D. B. Kothe, C. A. Zemach//Journal of computational physics, 1992. - V. 100, №. 2. - P. 335-354.

43 Brandon, A. S. X-ray phase contrast imaging of liquid film and spray development inside an aircraft engine swirler [Text] / A. S. Brandon, L. K. Alan, E. M. Katarzyna, G. C. Felipe, C. F. Powell // ASME Turbo Expo 2019. Turbomachinery

Technical Conference and Exposition. - Beihang University, 2019. - V. 141, №. 12. -P. 121003.

44 Brend M. A Measurements of fuel thickness for prefilming atomizers [Text] / M. A. Brend, A. G. Barker, J. F. Carrotte // International Journal of Mutliphase Flow, 2020 V. 131. - P. 103313.

45 Chima, R. V. A k-® Turbulence Model for Quasi-Three-Dimensional Turbomachinery Flows [Text]/ R. V.Chima//NASA Technical Memorandum,1996. -P.1-14

46 Cousin, J. Formation and primary breakup of conical liquid sheets discharged by pressure swirl injectors experimental and theoretical investigation [Text]/ J. Cousin, G. Vich, J. F. Nally / Proc. 8th Int. Conf. on Liquid Atomization and Spray Systems (Pasadena, CA), 2000. - P. 284-291.

47 Couto, H. S. Theoretical Formulation for Sauter Mean Diameter of Pressure-Swirl [Text] / H. S. Couto, J A Carvalho, D. Bastos-Netto//Atomizers Journal of Propulsion and Power, 1987. - №5. - P. 691 - 696.

48 Crayford, A. P. Manufacture, characterization and stability limits of an am prefilming air-blast atomizer [Text] / A. P. Crayford, F. Lacan, J. Runyon, P. J. Bowen, S. Balwadkar, J. Harper, D. G. Pugh//ASME Turbo Expo 2019: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. - American Society of Mechanical Engineers Digital Collection, 2019. - V. 58622. - P. V04BT04A037.

49 Cui, J. Visualization of internal flow and the effect of orifice geometry on the characteristics of spray and flow field in pressure-swirl atomizers [Text] / J. Cui, H. Lai, J. Li, Y. Ma //Applied Thermal Engineering, 2017. - V. 127. - P. 812-822.

50 Dafsari, R.Z. Viscosity effect on the pressure swirl atomization of an alternative aviation fuel [Text]/ R. A. Dafsari, H. J. Lee, J. Han, D. C. Park, J. Lee/ Fuel, 2019. - V.240-2019. - P.179-191.

51 Dash, S. K. Formation of air core in nozzles with tangential entry [Text] / S. K. Dash, M. R. Halder, M. Peric, S. K. Som//J. Fluids Eng, 2001. - V. 123, №. 4. - P. 829835.

52 Datta, A. Effects of spray characteristics on combustion performance of a liquid fuel spray in a gas turbine combustor International [Text] / A. Datta,S. K. Som//Journal of Energy Research,1999. - P. 217-228.

53 De Giorgi, M. G. Experimental and Numerical Investigations on the Effect of Different Air-Fuel Mixing Strategies on the Performance of a Lean Liquid Fueled Swirled Combustor [Text] / M. G. D. Giorgi, A. Sciolti, S. Capilongo, A. Ficarella//Energy Procedia, 2016. - V. 101. - P. 925-932.

54 Denner, F. Compressive VOF method with skewness correction to capture sharp interfaces on arbitrary meshes [Text] / F. Denner, Wachem B. G. M. //Journal of computational physics, 2014. - V. 279. - P. 127-144.

55 Dombrowski, N. The aerodynamic instability and disintegration of viscous liquid sheets [Text] / N. Dombrowski, W.R. Johns//Chemical Engineering Science,1963. - V. 3 - P. 203-214.

56 Driscoll, D. I. Thin flowing liquid film thickness measurement by laser induced fluorescence [Text]/ D. I. Driscoll; R. L. Schmitt; W. H. Stevenson / Journal of Fluids Engineering ,1992. - V. 114. - P.107-112.

57 Ekaab, N. S. Experimental Study of The Effect of Fuel Spray Angle on Emissions of pollutants from a continuous Combustion Process [Text]/ N. S. Ekaab// Journal of Al Rafidain University College,2017. - № 41. - P. 319-332.

58 Eslamian, M. Swirl, T-Jet and vibrating-mesh atomizers [Text]/M. Eslamian, N. Ashgriz//Handbook of atomization and sprays. - Springer, Boston, MA, 2011. - P. 755-773.

59 Fu, Q. Spray characteristics of gel propellants in an open-end swirl injector [Text]/ Q. Fu, F. Ge, W. Wang, L. Yang //Fuel, 2019. - V. 254. - P. 115555.

60 Ghasemi, A. Effects of droplet size and air preheating on soot formation in turbulent combustion of liquid fuel [Text]/A. Ghasemi, M. Moghiman, S. Javadi, N. Hossenini//Proceedings of the ASME 2010 10th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis, 2010. - P. 1-7.

61 Ghate, K. Influence of Convergence Angle on Hollow Cone Spray Characteristics [Text]/ K. Ghate, T. Sundararajan//Proc. of the 6th Int. Conf. on Fluid Flow, Heat and Mass Transfer Conf, 2019 -P. 175.

62 Giffen, E. The atomization of liquid fuels [Text]/ E. Giffen, A. Muraszew // Chapman & Hall, 1953. - 246 p.

63 Grohmann, J. Gas turbine model combustor emissions of liquid single-component fuels [Text]/ J. Grohmann, W. Meier, M. Aigner // Proceedings of ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, 2017. -V. 50848. - P. V04AT04A011.

64 Gurakov, N. I. A study on the geometric characteristic influence on the liquid fuel flow in a three-way pressure-swirl atomizer [Text]/ N. I. Gurakov, М. Hernandez Morales, I. A. Zubrilin, S. A. Bolychev, A. A. Didenko, S. G. Matveev//Journal of Physics: Conference Series, 2021. - V. 1891, №. 1. - P. 012021.

65 Gurakov, N. I. Simulation of Pollutant Emissions in a Small-Sized Combustion Chamber With a Gas Fuel for Various Regime Modes [Text]/ N. I. Gurakov, I. A. Zubrilin, I. V. Chechet, V. M. Anisimov, S. S. Matveev, D. V. Idrisov, M. Y. Anisimov //Gas Turbine India Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2019. - Т. 83532. - P. V002T04A023.

66 Gurakov, N. I. Validation of the VOF method for liquid spray process simulation from a pressure-swirl atomizer [Text]/ N. I. Gurakov, I. A. Zubrilin, V. Y. Abrashkin, M. Hernandez Morales, D. V. Yakushkin, V. V. Yastrebov, O. V. Kolomzarov, D. V. Idrisov//AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC, 2020. - V. 2304, №. 1. - -P. 020031.

67 Gustavo, A. Spray cone angles by a jet swirl injector for atomization of gelled ethanol [Text] / A. A. F. Gustavo., C. A. José, S. C. Fernando // 17th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering. - Brazilian Institute for Space Research, 2018. - P. 1-11.

68 Halder, M. R. Influences of nozzle flow and nozzle geometry on the shape and size of an air core in a hollow cone swirl nozzle [Text] / M. R. Halder, S. K. Dash, S.

K. Som//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2003. - V. 217, №. 2. - P. 207-217.

69 Halder, M. R. Initiation of air core in a simplex nozzle and the effects of operating and geometrical parameters on its shape and size [Text] / M. R. Halder, S. K. Dash, S. K. Som //Experimental thermal and fluid science, 2002. - V. 26, №2. 8. - P. 871878.

70 Hayashi, J. H. Effects of fuel droplet size on soot formation in spray flames formed in a laminar counter flow [Text] / J. Hayashi, H. Watanabe R. Kurose, F. Akamatsu // Combustion and Flame, 2011. - V. 12. - P. 2559-2568

71 Hirt, C. W. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries [Text] / C. W. Hirt, B. D. Nichols //Journal of computational physics, 1981. -V. 39, №. 1. - P. 201-225.

72 ICAO technical report-ICAO Engine Exhaust Emission Data, Doc 9646-AN/943, ICAO: Montreal, QC, Canada, 2005.

73 Inoue, C. Numerical and experimental investigation on spray flux distribution produced by liquid sheet atomization [Text] / C. Inoue, A. Shimizu, T. Watanabe, T. Himeno, S. Uzawa //ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition, 2015. - V. 56697. - P. V04BT04A022.

74 Jack, R. J. W. Coupled level set volume of fluid simulations of prefilming airblast atomization with adaptive meshing [Text]/ R. J. W. Jack, A. Garmory, M. Skarysz//Journal of propulsion and power, 2014. - V. 30, № 6. - P. 1-10.

75 Jayanti, S. Time-dependent behaviour of the liquid film in horizontal annular flow. [Text]/ S. Jayanti, G. F. Hewitt; S. P. White // International journal of multiphase flow, 1990. - V. 16, №. 6. - P. 1097-1116.

76 Jeng, S. M. Computational and experimental study of liquid sheet emanating from simplex fuel nozzle [Text]/ S. M. Jeng, M. A. Jog, M. Benjamin // A AIAA J. 36, 1998. - P. 201-207.

77 Kauffman, C. W. Effect of Local Parameters on Gas Turbine Emissions [Text]/ C. W. Kauffman, S. M. Correa, N. J. Orozco // J. Aircraft, 1982. - V. 19, №8. -P. 619-628.

78 Kazimardanov, M. Numerical simulation of kerosene atomization in injector of a gas turbine engine [Text] / M. Kazimardanov, R. Zagitov//AIP Conference Proceedings, 2019. - V. 2125, №. 1. - P. 030050.

79 Khil, T. Spray Characteristics of a Single Simplex Injector with Low Hydrodynamic Disturbance generated by Pressure Fluctuation in Feed Line [Text] / T. Khil, S. Kim, H. Kim, Y. Yoon // ICLASS-2006, Kyoto, Japan, 2006. - P. 1-6.

80 Kim, S. Effect of geometric parameters on the liquid film thickness and air core formation in a swirl injector [Text] / S. Kim, T. Khil, D. Kim, Y. Yoon//Measurement Science and Technology, - 2008. - V. 20, № 1. - P. 015403.

81 Kim, S. Effect of geometry on the liquid film thickness and formation of air core in a swirl injector [Text] / S. Kim, T. Khil, D. Kim, Y. Yoon //43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. - 2007. - P. 1-12.

82 Klausner, J. F. Development of a film thickness probe using capacitance for asymmetrical two-phase flow with heat addition. [Text]/ J. F. Klausner, L. Z. Zeng, D. M. Bernhard // Review of scientific instruments, 1992. - V. 63, № 5. - P. 3147-3152.

83 Kutty, P. S. Design and prediction of discharge coefficient, cone angle and air core diameter of swirl atomizers [Text]/ P. S. Kutty, M. V. Narasimhan, K. Narayanaswamy // Proc. 1st Int. Conf. on Liquid Atomization and Spray Systems: ICLASS-78 (Tokyo, Japan), 1978. - P. 93-100.

84 Lancien, T. Large Eddy Simulation of Light-Round in an Annular Combustor With Liquid Spray Injection and Comparison With Experiments [Text] / T. Lancien, K. Prieur, D. Durox, S. Candel, R. Vicquelin //Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2018. - V. 140, № 2. - P. 021504.

85 Laurinat J E Pressure drop and film height measurements for annular gasliquid flow. [Text]/ J. E. Laurinat, T. J. Hanratty, J. C. Dallman // International journal of multiphase flow, 1984. - V. 10, № 3. - P. 341-356.

86 Lefebvre, A.H. Atomization and Sprays [Text]/ A.H. Lefebvre, V. G. -McDonell Hemisphere, New York, 1989. - 434 p.

87 Lefebvre A.H.Gas turbine combustion. Alternative Fuels and emissions. [Text]/ A.H. Lefebvre, D.R. Ballal//CRC Press: Taylor & Francis Group. New York, 2010. - 537 p.

88 Liu, J. Numerical simulation of flows with moving interfaces [Text] / J. Liu, D.B. Spalding // Physico chemical hydrodynamics, 1988. - V. 10. - P. 625-637.

89 Matveev, S. S. Experimental study of the combustion of surrogates of aviation kerosene TS-1 [Text]/ S. S. Matveev, D. V. Idrisov, S. G. Matveev, N. I. Gurakov, M. Yu. Anisimov, A. S. Savchenkova, I. A. Zubrilin, M. Hernandez Morales //AIP Conference Proceedings. AIP Publishing LLC, 2020. - V. 2304, №№ 1. - P. 020014.

90 Mesquita, L. C. С. Two-Phase Flow Large Eddy Simulations of a Staged Multipoint Swirling Burner: Comparison Between Euler-Euler and Euler-Lagrange Descriptions [Text] / L. C. C. Mesquita, A. Vie, S. Ducruix //ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, 2017. - V. 50855. - P. V04BT04A024.

91 Mishra, R. Effect of Fuel Particle Size on the Stability of Swirl Stabilized Flame in a Gas Turbine Combustor [Text]/ R. Mishra, S. K. Kumar and S. Chandel//Int. J. Turbo Jet Engines, 2015. - P. 129-141.

92 Moon, S. Internal and near-nozzle flow of a pressure-swirl atomizer under varied fuel temperature [Text]/ S. Moon, C. Bae, E.F. Abo-Serie, J. Choi // Atomization and Sprays, 2007. - V. 17, № 6. - P. 529-550.

93 Movahednejad, E. Prediction of droplet size and velocity distribution in droplet formation region of liquid spray [Text]/ E. Movahednejad, F. Ommi, S.M. Hosseinalipour //Entropy, 2010. - V. 12, № 6. - P. 1484-1498.

94 Muduli, S. K. Assessment of Exit Temperature Pattern Factors in an Annular Gas Turbine Combustor: An Overview [Text]/ S. K. Muduli, R. K. Mishra, P. C. Mishra // Int. J. Turbo Jet Engine, 2019 - P. 1-11.

95 Platonov, I.A. Study of the Sorption Properties of Planar Micropacked GasChromatographic Columns of Polycapillary and Pillar Types [Text] / I.A. Platonov,

V.I. Platonov, A.N. Agafonov, V.S. Pavelyev // AIP Conference Proceedings, 2018. -V. 1989. - P. 1-7.

96 Poulton, L. Modelling of multi-component kerosene and surrogate fuel droplet heating and evaporation characteristics: A comparative analysis [Text] /L. Poulton, O. Rybdylova, I.A. Zubrilin, S.G. Matveev, N.I. Gurakov, M. Al Qubeissi, N. Al-Esawi, T. Khan, V.M. Gun'ko, S.S. Sazhin // Fuel, 2020. - V. 269. - P 117115.

97 Prakash, R. S. Breakup processes of pressure swirl spray in gaseous cross-flow [Text]/ R. S. Prakash, H. Gadgil, B. N. Raghunandan //International journal of multiphase flow, 2014. - V. 66. - P. 79-91.

98 Puggelli, S. Scale adaptive simulations of a swirl stabilized spray flame using flamelet generated manifold [Text] / S. Puggelli, D. Bertini, L. Mazzei, A. Andreini //Energy Procedia, 2016. - V. 101. - P. 1143-1150.

99 Rink, K. K.The influences of fuel composition and spray characteristics on nitric oxide formation [Text] /K. K. Rink, A. H. Lefebvre //Combustion science and technology, 1989. - V. 68, № 1-3. - P. 1-14.

100 Rizk N. K. Prediction of velocity coefficient and spray cone angle for simplex swirl atomizers [Text] / N. K. Rizk, A. H. Lefebvre //International Journal of Turbo and Jet Engines, 1987. - V. 4, № 1-2. - P. 65-74.

101 Rizk, N. K. The influence of liquid film thickness on airblast atomization [Text] / N. K. Rizk, A. H. Lefebvre // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1980. - V.102. - P. 706-710.

102 Roy, R. P. Microwave method for measurement of liquid film thickness in gas-liquid flow [Text]/ R. P. Roy, J. Ku, I. Kaufman, J. Shukla // Review of Scientific Instruments, 1986. - V. 57, № 5. - P. 952-956.

103 Schmidt, D. P. Pressure-Swirl Atomization in the Near Field [Text] / D. P Schmidt, I. Nouar, P. K. Senecal, C. J. Rutland, J. K. Martin, R. D. Reitz, J. A. Hoffman//SAE Technical Paper 1999-01-0496, SAE Technical Paper Series,1999. - P. 117.

104 Sharma, N. Influence of fuel volatility and spray parameters on combustion characteristics and NOx emission in a gas turbine combustor [Text] / N.Y. Sharma, S.K. Som//Applied Thermal Engineering, 2004. - P. 885-903.

105 Simmons, H. C. The prediction of Sauter mean diameter for gas turbine fuel nozzles of different types [Text] / H. C. Simmons// Journal of Engineering for Power. -1980. - C. 646-652.

106 Simmons, H. C., Harding C. F. Some effects of using water as a test fluid in fuel nozzle spray analysis [Text] / H. C. Simmons, C. F. Harding// Journal of Engineering for Power, 1981. - P. 118-123.

107 Som, S. K. Air core in pressure swirl atomizing nozzles [Text] //Atomization and Sprays, 2012. - V. 22, № 4. - P. 283-303.

108 Sun, Y. Numerical and experimental study on the spray characteristics of full-cone pressure swirl atomizers [Text] / Y. Sun, A. M. Alkhedhair, Z. Guan, K. Hooman//Energy, 2018. - V. 160. - P. 678-692.

109 Sunghyuk, K. Effect of geometric parameters on the liquid film thickness and air core formation in a swirl injector [Text]/K. Sunghyuk, K. Taeock, K. Dongjun, Y. Youngbin// Meas. Sci. Technol, 2008. - V. 20. - P.1-11.

110 Suyari, M. Film thickness measurements in a simplex swirl atomizer [Text]/ M. Suyari, A. H. Lefebvre // Journal of propulsion and Power, 1986. - V. 2, №. 6. -P. 528-533.

111 Thompson, E. Use of pseudo-concentrations to follow creeping viscous flows during transient analysis. [Text] / E. Thompson // International Journal for numerical methods in engineering, 1986. - V. 6. - P. 749-761.

112 Verma, N. Characteristics of aerosol produced by an internal-mix nozzle and its influence on force, residual stress and surface finish in SQCL grinding [Text] / N. Verma, M.K. Kumar, A. Ghosh//Journal of Materials Processing Technology, 2017. - Т. 240. - С. 223-232.

113 Wang, F. A multi-section droplet combustion model for spray combustion simulation [Text] / F. Wang, A. I. Sayma, Z. J. Peng, , Y. Huang //ASME 2011 Turbo Expo: Turbine Technical Conference and Exposition, 2011. - Т. 54624. - С. 7-16.

114 Weiss, M. A. Atomization in high velocity airstreams [Text] / M. A. Weiss, M. A. Worsham //Ars Journal, 1959. - V. 29, №. 4. - P. 252-259.

115 Wu, Y. Picosecond pulsed digital off-axis holography for near-nozzle droplet size and 3D distribution measurement of a swirl kerosene spray [Text] / Y. Wu, L. Wang, W. Lin, G. Song, Y. He, X. Wu, Z. Wang, K. Cen //Fuel, 2021. - V. 283. - P. 119124.

116 Xiao, W. Improved Semiempirical Correlation to Predict Sauter Mean Diameter for Pressure-Swirl Atomizers [Text] / X. Wei, Y. Huang // Journal of Propulsion and Power, 2014. - P. 1628-1635.

117 Xiwei, W. Investigation on the fluctuations of the spray angle generated from pressure-swirl atomizers [Text] / W. Xiwei, H. Yong, S. Lei //Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. - American Society of Mechanical Engineers, 2020. - V. 84126. - P. V04AT04A020.

118 Xu, B. Large Eddy Simulation of a Realistic Gas Turbine Combustor [Text] / B. Xu, Y. Liu, R. Xie //ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition,2016. - V. 49767. - P. V04BT04A026.

119 Xue, j. Effect of Geometric Parameters on Simplex Atomizer Performance [Text] /J. Xue, M. A. Jog, S. M. Jeng, E. Steinthorsson, M. A. Benjamin//AIAA Journal, 2004. - P. 2408-2415.

120 Young, J. B. Spontaneous condensation of steam in supersonic nozzles [Text] / J. B. Young//Physicochemical Hydrodynamics (PCH), 1982. - V. 3. - P. 57-82.

121 Yule, A. J. Swirl atomizers operating at high water pressure [Text] / A. J. Yule, I. R. Widger//International journal of mechanical sciences, 1996. - V. 38, №. 8-9. - P. 981-999.

122 Zahmatkesh, I. Effect of liquid fuel droplet size on soot emission from turbulent spray flames Iranian [Text] / I. Zahmatkesh, M. Moghiman // Journal of Science & Technology, Transaction B, Engineering, 2006. - P. 330-351.

123 Zimont, V.L. An efficient computational model for premixed turbulent combustion at high Reynolds numbers based on a turbulent flame speed closure [Text] /

V.L. Zimont, W.Polifke, M.Bettelini, W. Weisenstein // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1997. - V. 120. -P. 526-532.

124 Zimont, V.L. A Numerical Model of Premixed Turbulent Combustion of Gases [Text]/ V.L. Zimont, A. N. Lipatnikov// Chem. Phys. Report, 1995. - P. 993-1025.

125 Zimont, V. Gas Premixed Combustion at High Turbulence. Turbulent Flame Closure Model Combustion Model [Text]/ V. Zimont// Experimental Thermal and Fluid Science, 2000. - P. 179-186.

126 Zubrilin, I.A. Lean Blowout Limit Prediction in a Combustor with the Pilot Flame [Text] / I.A. Zubrilin, N.I. Gurakov, S.G. Matveev // Energy Procedia, 2017. -V.141. - P.273-281.

127 Zubrilin I.A. Simulation of Pollutant Emissions in a Small-Size GTE Based on the Reactor Network Model [Text] / I.A. Zubrilin, S.G. Matveev, A. Marrone, D.G. Pastrone // Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2018. - V.10, №10. - P.308-310.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Код, написанный в среде MATLAB для определения угла факела распыла close all ; clear; clc;

% set(0,'DefaultTextInterpreter', 'latex'); % set(0,'DefaultAxesFontSize',12); % set(0,'DefaultTextFontSize',12);

% set(0,'DefaultAxesFontSize',14,'DefaultAxesFontName','Times New Roman'); % set(0,'DefaultTextFontSize',14,'DefaultTextFontName','Times New Roman');

movieObj = VideoReader('2_9.mp4'); % open file

get(movieObj) % display all information about movie

nFrames = movieObj.NumberOfFrames;

time = movieObj.Duration;

Htime = time/nFrames;

% Read every other frame from this movie.

% t = 1;

for iFrame=1:1:nFrames % t(n) = iFrame; rgb = read(movieObj,iFrame); % get one RGB image % L=imresize(rgb, 0.25); % figure, imshow(L); rgb2 = imcrop(rgb,[550 30 1000 400]);

% figure, imshow(rgb2);

%------------------------------------------

I=rgb2gray(rgb2); % I=imread('pears.png');

% imshow(I) % text(732,501,'...',...

% 'FontSize',7,'HorizontalAlignment','right')

hy=fspecial('sobel');

hx=hy';

Iy=imfilter(double(I), hy, 'replicate'); Ix=imfilter(double(I), hx, 'replicate'); gradmag=sqrt(Ix.A2+Iy.A2);

% figure, imshow(gradmag,[]), title('значение градиента') % Таким образом, вычислив значения градиента, можно приступить к сегментации

% изображений с помощью рассматриваемого метода маркерного водораздела. L=watershed(gradmag); Lrgb=label2rgb(L); % figure, imshow(Lrgb), title('Lrgb') se=strel('disk', 20); Io=imopen(I, se); % figure, imshow(Io), title('Io') Ie=imerode(I, se); Iobr=imreconstruct(Ie, I); % figure, imshow(Iobr), title('Iobr') Ioc=imclose(Io, se); % figure, imshow(Ioc), title('Ioc') Iobrd=imdilate(Iobr, se);

Iobrcbr=imreconstruct(imcomplement(Iobrd), imcomplement(Iobr)); Iobrcbr=imcomplement(Iobrcbr); % figure, imshow(Iobrcbr), title('Iobrcbr')

fgm=imregionalmax(Iobrcbr); % figure, imshow(fgm), title('fgm') I2=I;

I2(fgm)=255;

% figure, imshow(I2), title('fgm, наложенное на исходное изображение')

se2=strel(ones(5, 5));

fgm2=imclose(fgm, se2);

fgm3=imerode(fgm2, se2);

fgm4=bwareaopen(fgm3, 20);

I3=I;

I3(fgm4)=255; % figure, imshow(I3)

% title('fgm4, наложенное на исходное изображение') bw=im2bw(Iobrcbr, graythresh(Iobrcbr)); % figure, imshow(bw), title('bw') % bwFill = imfill(bw, 'holes'); % figure, imshow(bwFill), title('bwFill') dim=size(bw);

% горизонтальное направление

%---------------

col1=150;

% row1=max(find(bw(:, col1))); row1=min(find(bw(:, col1)));

boundary1=bwtraceboundary(bw, [row1, col1], 'N', 8, 150);

% угловое направление

%---------------

row2=185;

col2=max(find(bw(row2, :)));

% col2=min(find(bw(row2, :)));

boundary2=bwtraceboundary(bw, [row2, col2], 'E', 8, 200,'counter');

%---------------

% row2=1;

% % col2=max(find(bw(row2, :))); % col2=min(find(bw(row2, :)));

% boundary2=bwtraceboundary(bw, [row2, col2], 'E', 8, 300,'counter');

%---------------

% установим направление отслеживания - против часовой стрелки, сверху вниз % boundary2=bwtraceboundary(bw, [row2, col2], 'E', 8, 300);

% imshow(bw); hold on;

% % отображение результатов на исходном изображении % plot(boundary1(:, 2), boundary1(:, 1), 'g', 'LineWidth', 2);

% plot(boundary2(:, 2), boundary2(:, 1), 'g', 'LineWidth', 2);

%

ab1=polyfit(boundary1(:, 2), boundary1(:, 1), 1); ab2=polyfit(boundary2(:, 2), boundary2(:, 1), 1);

vect1=[1 ab1(1)]; % создание вектора на основании линейных выражений

vect2=[1 ab2(1)];

dp=dot(vect1, vect2);

% вычисление длины вектора

length1=sqrt(sum(vect1.A2));

length2=sqrt(sum(vect2.A2));

% вычисление угла

angle(iFrame)=180-acos(dp/(length1*length2))*180/pi;

%--------------------------------

numOfCols = size(I, 2); x1 = -(ab1(2)/ab1(1)); x2 = -(ab2(2)/ab2(1)); xx1 = [0, x1];

yy1 = ab1(1)*xx1+ab1(2); xx2 = [numOfCols, x2];

yy2 = ab2(1)*xx2+ab2(2);

%--------------------------------

% % text(15, 425, [sprintf('%1.3f', angle), '{\circ}'],... % % 'Color', 'y', 'FontSize', 14, 'FontWeight', 'bold'); % interString=sprintf('(%2.1f, %2.1f)', 367, 425); % text(367, 425, interString,... % 'Color', 'y', 'FontSize', 14, 'FontWeight', 'bold'); % D=bwdist(bw); % DL=watershed(D); % bgm=DL==0;

% figure, imshow(bgm), title('bgm') % gradmag2=imimposemin(gradmag, bgm | fgm4); % L=watershed(gradmag2); % I4=I;

% I4(imdilate(L==0, ones(3, 3)) | bgm|fgm4)=255; % figure, imshow(I4)

% ^М'Маркеры и границы объектов, наложенные на исходное изображение')

%-----------------------------------------------------------------------

fprintf('Frame %d\n', iFrame); % imshow(bw); hold on; imshow(rgb2,[]);

message = [sprintf('%1.2f', angle(iFrame)), '{\circ}'];

text(10, 10, message, 'Color', 'g', 'FontSize', 14, 'FontWeight', 'bold');

hold on; % Display image

plot(xx1, yy1, 'g-', xx2, yy2, 'g-','LineWidth', 2);

pause(0.1);

t(iFrame)= Htime * iFrame; end

AngTime=Htime*angle;

AvOfTimeAngle = sum(AngTime)/time; % Среднее по времени значение угла топливного факела LineAvX = [0 time];

LineAvY = [AvOfTimeAngle AvOfTimeAngle];

AngleMax = max(angle);

AngleMin = min(angle);

DeltaAngle = AngleMax - AngleMin;

subplot(2,1,1), plot(t,angle, 'k', LineAvX, LineAvY, 'r');

axis( [ 0, time,floor(AngleMin)-1, ceil(AngleMax)+1 ] ),grid on, xlabel( 'Время, с' ); ylabel( 'Угол топливного факела, град' );

text(0.1, ceil(AngleMin)-10, sprintf('Усреднённый по времени угол %1.2f градусов\nРазмах значений %1.2f градусов' , AvOfTimeAngle, DeltaAngle),... 'Color', 'r', 'FontSize', 14, 'FontWeight', 'bold');