Исследование пространственных двухфазных высокоскоростных потоков в камерах сгорания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Ананьев, Анатолий Викторович

• Ананьев, Анатолий Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ананьев, Анатолий Викторович

Введение

Глава 1. Математическая модель

1.1 Математическая модель газовой динамики

1.2 Модель термодинамики

1.2.1 Термодинамика газа

1.2.2 Теплофизические свойства углеводородных топлив

1.3 Модель коэффициентов переноса

1.4 Модель газофазных химических реакций. Уравнения химической кинетики

1.5 Расчёт параметров дискретной фазы 33 1.5.1 Модель сопротивления испаряющейся частицы 3 5 Г.5.2 Модель тепломассообмена1 испаряющейся частицы

1.5.3 Задание спектра распыления форсунок

Глава 2. Метод численного решения

2.1 Алгоритм численного решения системы дифференциальных уравнений

2.2 Задание начальных условий

2.3 Задание граничных условий

2.4 Переход от непрерывного к дискретному спектру распыла форсунок

2.5 Адаптация алгоритма решения под различные параллельные платформы

Глава 3. Экспериментальное исследование процессов в камерах сгорания

3.1 Экспериментальная установка для камеры ПВРД

3.2 Определение полноты-сгорания в камере ПВРД

3.2.1 Определение полноты сгорания по данным< измерения полного давления в критическом сечении сопла

3.2.2 Определение полноты сгорания по данным измерения статического давления в "холодном" сечении камеры

3.3 Экспериментальные данные и результаты их обработки

3.4 Стендовая базы для проведения испытаний модели ГПВРД

3.5 Экспериментальные исследования

3.6 Анализ результатов

Глава 4. Численное моделирование трёхмерных высокоскоростных течений в камерах сгорания

4.1 Выбор параметров моделей, верификация численного метода

4.2 Численное моделирование течений в экспериментальных моделях, сравнение с экспериментом

4.2.1 Результаты расчёта течения в модельной камере

4.2.2 Сравнение с экспериментальными данными по горению за уступом центрального тела в осесимметричной камере

4.2.3 Моделирование прогара стабилизаторов в камере сгорания

4.2.4 Расчёт процесса смесеобразования и горения в модельной сверхзвуковой камере сгорания

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование пространственных двухфазных высокоскоростных потоков в камерах сгорания»

Работа посвящена исследованию процесса смесеобразования и горения в до- и сверх- звуковом потоке.

В прямоточных воздушно-реактивных двигателях, использующих керосин в качестве топлива, в камерах сгорания реализуется течение газокапельной смеси. Эта смесь образуется при впрыскивании жидкого керосина в камеру в поток атмосферного воздуха. При этом керосин дробится на капли различного размера, спектр которых определяется видом форсунки и направлением впрыска по отношению к потоку. В газокапельной смеси происходят процессы фазовых переходов, неравновесных газофазных химических реакций и процессы переноса. Кроме того, расчёт процессов в камере осложняется необходимостью моделирования- сложной геометрии (учёт возмущений от топливных коллекторов, стабилизаторов, рубашек охлаждения и т.п.).

Основное направление развития воздушно-реактивных двигателей это увеличение числа Маха, а, следовательно, допустимой высоты, полёта. Увеличение скоростей, приводит к возрастанию температуры на входе в камеру сгорания, а так же в самой камере. Одним из наиболее перспективных технических решений является переход к сверхзвуковым скоростям в камере сгорания, а следовательно и горению в сверхзвуковом потоке. Это приводит к дополнительным трудностям, связанным со стабилизацией процесса горения и обеспечением высокой полноты сгорания топлива. В дозвуковом потоке стабилизация пламени происходит в застойных зонах за плохообтекаемыми телами. Использование стабилизаторов пламени в сверхзвуковом потоке приводит к дополнительным скачкам уплотнения и потерям полного давления, а, следовательно, снижению эффективности процесса работы двигателя в целом. Одним из возможных решений этой проблемы является стабилизация пламени на струях.

Рис. 1 Принципиальная схема внутренних трактов прямоточного воздушнореактивного двигателя.

На рис. 1 изображена типичная схема внутренних трактов прямоточного воздушно-реактивного двигателя с центральным телом. Набегающий воздушный поток тормозится в воздухозаборном устройстве в косых скачках уплотнения, одновременно происходит сжатие потока с увеличением в нём статического давления. Далее по вниз по воздушному потоку расположен замыкающий скачёк уплотнения, вслед за которым течение становится дозвуковым. Далее через форсунки топливного коллектора в воздушный поток подаётся жидкий керосин. После того, как большая часть изначально жидкого топлива испаряется (не менее 80%) подготовленная керосино-воздушная смесь поступает в камеру сгорания. Для стабилизации процесса горения используются плохообтекаемые тела в виде системы У-образных стабилизаторов. Для расширения диапазона устойчивого горения по скорости потока в камере, статическому давлению и коэффициенту избытка окислителя, обычно используют карбюраторную схему: часть топлива подаётся непосредственно в область за стабилизаторами и служит для поддержания процесса горения, а так же как запальное устройство в случае погасания основного пламени.

На рис. 2 приведена схема модельного гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя в газогенераторным устройством. Набегающий воздушный поток в комбинированном воздухозаборном устройстве делится на два потока. Основная часть воздуха сжимается в косых скачках уплотнения и поступает в камеру сгорания со сверхзвуковой скоростью. Остальная часть воздуха (20-30%) так же тормозится в косых скачках уплотнения, но с замыкающим прямым до дозвуковой скорости и поступает в камеру сгорания (газогенераторное устройство). Весь керосин подаётся в дозвуковую камеру в жидком виде и сгорает при коэффициенте избытка окислителя намного меньше 1 (от 0,2 до 0,5). Затем продукты сгорания богатой смеси через сопловой блок газогенератора поступают со звуковой скоростью в основной поток воздуха. При натекании сверхзвукового потока на струи газогенератора образуется сложная система скачков уплотнения, происходит перемешивание потоков и догорание богатой газогенераторной смеси.

Расширяющаяся камера а орлими и сопло

Система распределения юн. 1И на н киогенераторе

I он.пшнмй бак

Комбинированный В01д>\01аборник с полным <(■,) и частичным (Сь)

Система молами и регулирования расхода юнлива ирелнари 1СЛЫЮ1 о смешения и трения

Рис. 2 Схема летательного аппарата со сверхзвуковой камерой сгорания с газогенераторным устройством.

При сжигании горючего процесс горения и его устойчивость определяются смешением и кинетическим фактором. Существует несколько способов подачи топлива в сверхзвуковой поток, а так же схем его воспламенения.

Спутная подача с пилона даёт протяжённую зону горения и малый угол раскрытия факела. Данный способ может быть применён в виде системы струй с малым диаметром сопел или как поджигающее устройство. Такой способ легче всего поддаётся численному анализу [1,2].

Подача топлива с пилона навстречу потоку улучшает условия смешения. Ударная волна перед факелом вызывает рост давления и температуры, тем самым улучшая условия воспламенения. При вдуве со стенки канала ситуация аналогичная.

Подача горючего в зону рециркуляции, образованную плохообтекаемым телом. Такая ситуация реализуется; например, при внезапном расширении канала. Из-за большого времени пребывания зона рециркуляции обеспечивает хорошее перемешивание горючей' смеси? и надёжное её воспламенение. Основное преимущество такой конфигурации; канала в возможности-свободного расширения потока при подводе тепла и в устойчивости процесса горения в широком диапазоне коэффициента избытка окислителя.

Для обеспечения надёжного поджига и стабилизации'процесса горения-могут применяться специально инициированные скачки, уплотнения. Для-этого в поток вносится клин с изменяющимся «углом* атакив .зависимости- от числа* Маха-набегающего потока.

Применение углеводородных топлив в прямоточных двигателях со сверхзвуковым горением целесообразно при низких гиперзвуковых скоростях полёта (М' < 6) [3]. Основной недостаток углеводородных топлив заключается в больших по сравнению с водородом временах задержки воспламенения и температуры возгорания. Но, с другой стороны, водород имеет маленькую плотность, следовательно требуется существенно больший объём баков для его хранения, увеличения-габаритов изделия, в частности, площади миделя. А это ведёт так же к увеличению коэффициента сопротивления. В работе [4] было установлено, что добавление небольшого количества водорода в сносящий поток приводит к устойчивому горению керосина и метана. При этом водород должен подаваться параллельно течению воздуха выше по потоку, чем основное топливо.

В работе [5] рассматривается газогенераторная схема подачи топлива: часть воздушного потока поступает в малогабаритную дозвуковую камеру газогенератора. Для стабилизации пламени в, газогенераторе используется внезапное расширение канала. В. работе приводится оценка необходимой длины камеры сгорания при диаметре 250 мм около 1,5 метра.

В работе [6] в нульмерной постановке рассмотрен способ определения полноты сгорания и параметров" рабочего тела по длине камеры сгорания со сверхзвуковой скоростью воздуха на входе. Состав, и свойства рабочего тела определялись термодинамическим расчётом с учётом диссоциации и зависимости энергии внутренних степеней свободы от температуры. Исследованы источники ошибок и влияние точности задания исходных данных при1 нульмерном подходе- к определению кривой выгорания и параметров потока. Задача решается применительно к обработке экспериментальных данных. Рассмотрено два способа определения полноты сгорания: 1. по измеренным распределениям статического* давления- и. тепловых потоков в-стенки по длине камеры сгорании 2. по измеренному статическому давлению и давлению за прямым скачком уплотнения в поперечном сечении камеры сгорания.

В настоящее время применяется три основных подхода к моделированию газодинамических процессов: прямое численное моделирование, моделирование крупных вихрей и модели на основе осреднённых уравнений Навье-Стокса.

Прямое численное моделирование, т.е. непосредственное решение уравнений Навье-Стокса, диффузии и химической кинетики, используется для расчёта турбулентных течений в областях небольших размеров и чисел Рейнольдса (до 104 [7]). Например, в работе [8] рассматривается двумерная задача, турбулентное число Рейнольдса составляет Яе, = 175. Для трёхмерных областей моделирование производится с небольшим числом брутто реакций. Это связано с необходимостью разрешение деталей турбулентных потоков, развивающихся на малых масштабах, что требует большого количества узловых точек, по сравнению с ламинарными потоками.

Отношение максимального и минимального масштабов турбулентности задаётся выражением [9] к где Яе, — турбулентное число Рейнольдса, 1К — масштаб длины Колмогорова, /0 - масштаб длины, определяемый размером системы. Таким образом для

9/ трёхмерных задач необходимое число узлов сетки пропорционально Яе, . А из-за необходимости разрешения колмогоровского масштаба времени сложность расчёта возрастает до Яе^. Это и является главным сдерживающим фактором широкого применения данного подхода для расчёта турбулентных течений.

В работе [10] предложен алгоритм прямого численного моделирования турбулентного водородно-воздушного факела на основе двумерных уравнений многокомпонентной гидродинамики, полных уравнений многокомпонентной диффузии и детальном кинетическом механизме горения. Результаты численного < моделирования сравниваются с экспериментальными данными. Автор считает полученное согласие осреднённых полей газодинамических величин удовлетворительным, хотя на приводимых иллюстрациях хорошо видно отсутствие симметрии для осреднённых параметров для симметричной геометрии. А наблюдаемое автором отличие расчётных и экспериментальных среднеквадратичных пульсаций компонент скорости может являться следствием первого порядка аппроксимации по времени используемой схемы и двухмерностью постановки задачи.

При методе, основанном на моделирование крупных вихрей, сеткой разрешаются только крупные структуры течения. Для моделирования же мелких (не разрешаемых сеткой и по времени) образований используются подсеточные модели турбулентности. Такое разделение оправдано тем, что мелкомасштабная турбулентность может считаться изотропной с хорошей степенью точности и моделироваться замыкающими систему уравнений предположениями.

Для разделения крупномасштабных и мелкомасштабных вихрей используются различные функции фильтрации. Их выбор является центральным, моментом при моделировании крупных вихрей. Используются* различные виды функций: осреднённый по объёму коробочный фильтр, фильтр Гаусса, сокращённый фильтр Фурье [11].

В работе [12] горение водорода в сверхзвуковом потоке воздуха моделируется при помощи модели ЬЕБ с подсеточной моделью горения основанной на функциях плотности распределения. Считается, что подсеточные пульсации температуры подчиняются распределению Гаусса, а концентраций -многопараметрической бетта функции.

Для расчёта течения в технических устройствах более применимыми являются методы моделирования, основанные на осреднённых уравнениях Навье-Стокса. При таком подходе мгновенные газодинамические параметры представляют в виде суммы осреднённой и пульсационной, составляющей. Применяется два различных подхода, к осреднению: осреднение по Фавру и по Рейнольдсу. При моделировании турбулентного горения из-за значительных флуктуаций плотности применяется первый вариант осреднения, т.к. он позволяет уменьшить количество неизвестных корреляций. Для определения неизвестных корреляций газодинамических величин используют различные модели турбулентности: алгебраические, диференциальные модели первого и второго порядка [9, 11]. Для моделирования параметров течения вблизи стенок используется метод пристеночных функций [13]

Так как при моделировании крупных вихрей не требуется разрешение колмогоровского масштаба длины и времени, то необходимые вычислительные ресурсы (по объёму памяти, и производительности вычислений с плавающей точной) существенно меньше, чем при прямом численном моделировании. В то же время, в связи с бурным развитием вычислительной техники сфера применениям метода моделирования крупных вихрей постоянно расширяется. Поэтому существует мнение, что в скором времени этот метод моделирования турбулентных течений вытеснит методы, основанные на решении осреднённых уравнений Навье-Стокса. Основным ограничивающим фактором в повсеместном применении этого метода является необходимость разрешения сеткой и по времени пристеночной области течения с более мелкими и- анизотропными вихрями. Что приводит к необходимости измельчения сетки и уменьшения шага по времени до величин, характерных для методов прямого численного моделирования. Одним из способов преодоления этой проблемы является комбинирование методов: в пристеночной зоне использовать осреднённые уравнения, а в ядре потока — метод моделирования крупных вихрей.

В статье [14] рассмотрены различные варианты учёта сжимаемости, неравновесности турбулентности и обеспечение физически допустимых решений в модификациях к-а модели турбулентности. Задача решается в двумерной постановке модификацией метода Годунова [15, 16.]. В работе приводятся результаты расчётов для различных комбинаций изучаемых моделей и сравнение с экспериментальными данными по истечению перерасширенных и недорасширенных сверхзвуковых струй. Наилучшее соответствие для рассматриваемой тестовой задачи получено при одновременном учёте сжимаемости и нерасчётности турбулентности по моделям [17, 18]

В работе [19] приводятся результаты расчёта течения в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Уравнения Навье-Стокса решаются в двумерной постановке, число Маха в набегающем потоке 14, в качестве топлива используется водород. Решение ищется на треугольной неструктурированной сетке методом. Годунова с приближённым решение задачи Римана по схеме AUSM. В качестве результатов расчёта приводятся поля давления, температуры, распределение концентрации Н20, а так же линии тока. К сожалению, в работе не приводятся параметры эффективности работы двигателя, такие как тяга или полнота сгорания топлива.

В работах [1, 2, 20 — 22] расчёты выполнены с помощью коммерческого программного продукта FLUENT. В статьях произведена серия, расчётов двух и трёхмерного течения в сверхзвуковой камере сгорания. Расчёты производятся для различных вариантов впрыска горючего: за клиновидным пилоном, в прямоугольную каверну, за^ клиновидный уступ на стенке канала. Анализируется волновая структура течения. В статьях [I, 2] расчитывается лишь задача смешения, т.е. химические реакции отсутствуют, в остальных — принята одна брутто реакция горения водорода. В работе [2] производится сравнение с экспериментом по распределению давления по стенке канала. В этих работах так же не приводится значения полноты сгорания и тяги двигателя.

В [23] газодинамический расчёт производится на декартовой совмещённой сетке, приводится обзор современного развития метода погруженной границы. В работе разработан неявный метод погруженной границы для задания граничных условий первого, второго и третьего рода для несжимаемых уравнений Навье-Стокса.

В работе [Бекетаева] рассматривается задача вдува поперечной струи в сверхзвуковой поток. С использованием осреднённых уравнений Навье-Стокса и алгебраической модели турбулентности Болдуина—Ломакса [24] численно моделируется плоское сверхзвуковое течение при наличии симметричного перпендикулярного вдува струй через щели на стенках. Линеаризованная система решается методом Бима — Уорминга [25]. В работе исследовано влияние нерасчётности и числа Маха струи на структуру течения. Получены зависимости угла наклона ударной волны и длины отрывной зоны от степени нерасчётности. Выявлено влияние степени нерасчётности на увеличение подъёмной силы, возникающей при взаимодействии потока с вдуваемой струей.

Комплексному исследованию газодинамических процессов, тепломассообмена жидких частиц, межфазного взаимодействия, химической кинетике в камерах сгорания, экспериментальному и численному моделированию, и будет посвящена данная работа.

Актуальность работы

В настоящее время в связи с необходимостью решения ряда практических задач разработки летательных аппаратов с ГПВРД и высокоскоростными ПВРД, рассчитанных на полет в диапазоне чисел Маха от 4 до 8 и выше, весьма актуальным является исследование процессов смесеобразования и горения в высокоскоростном дозвуковом и сверхзвуковом потоках.

Этой проблеме посвящены многочисленные теоретические, расчётные и экспериментальные работы. Однако существует ряд задач, которые ещё не получили удовлетворительного решения.

Целью работы является исследование процесса смесеобразования и горения в до- и сверх- звуковом потоке в каналах сложной пространственной конфигурации

Основными задачами, решаемыми в работе являются:

1. Разработка метода для численного моделирования пространственных вязких двухфазных реагирующих высокоскоростных течений в каналах. Метод включает в себя методику постановки граничных условий на поверхностях произвольной формы, методику расчета на стыковочных сетках, метод расчёта термодинамических свойств веществ и газофазных химических реакций, вычисления турбулентных коэффициентов переноса.

2. Разработка пакета программ для расчета трехмерных вязких реагирующих течений в каналах сложной* пространственной, конфигурации, позволяющего рассчитывать локальные (давление, температура, плотность, концентраций) и интегральные параметры камеры сгорания воздушно-реактивного двигателя, определять эффективность процесса горения и полноту сгорания. Адаптация методики численного моделирования для параллельных вычислений на многоядерных центральных и графических процессорах, верификация разработанной физико-математической модели и метода численного моделирования.

3. Разработка на основе численного моделирования геометрии проточной части гиперзвуковой камеры сгорания со стабилизацией процесса горения на струях газогенератора, проведение её оптимизации.

4. Проведение экспериментальных исследований процесса смесеобразования и горения в до- и сверх- звуковом потоке, сравнение полученных экспериментальных данных с расчётными.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан метод и программный комплекс для численного моделирования вязких трехмерных двухфазных реагирующих высокоскоростных течений, в каналах сложной конфигурации, проведена адаптация численных методов (и программного комплекса) под параллельные архитектуры с общей памятью, такие как центральные многоядерные и графические процессоры.

2. Предложена оригинальная схема, проведены экспериментальные исследования и получены характеристики (распределение давлений, температур, полноты сгорания), камеры сгорания ГПВРД; со стабилизацией пламени на- струях, получаемых в результате' сгорания богатой смеси в газогенераторе.

3. Выполнена оптимизация параметров камеры-сгорания ГПВРД со-сверхзвуковым горением1 и стабилизацией пламени на струях газогенератора.

4. По результатам численных расчетов спрогнозированы места прогаров стабилизаторов V — образной формы в дозвуковой камере сгорания за стойками топливного коллектора.

Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением результатов расчета, полученных предложенным,численным методом, с данными экспериментальных исследований и, результатами расчётов другими методами. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается тщательным планированием эксперимента и качественным экспериментальным оборудованием.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что предложенный численный метод и экспериментальные исследования вязких трехмерных реагирующих течений позволяют прогнозировать основные характеристики натурных ГПВРД и высокоскоростных ПВРД на различных режимах функционирования.

На защиту выносится:

1. Метод и программа расчета вязких трехмерных реагирующих течений в областях сложной пространственной конфигурации.

2. Схема ГПВРД с камерой сгорания и стабилизацией пламени на вдуваемых газогенераторных струях, результаты оптимизации параметров камеры.

3. Результаты экспериментальных исследований процесса-горения в дозвуковых и сверхзвуковых потоках.

4. Результаты расчета основных характеристик течения в дозвуковой и сверхзвуковой камере сгорания, их сравнение с экспериментальными данными.

Апробация работы и научные публикации:

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 48-ой, 49-ой и 50-ой открытой конференции Московского физико-технического института в 2005, 2006, 2007 гг.; международной конференции EUCASS в 2009 и 2011 гг, конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ) в 2008 гг, XVII Международной Конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС) 2011 гг, научных семинарах и конференциях Центра Келдыша. Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в 10 публикациях, в том числе 3 из перечня ВАК.

Объём работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит — 134 машинописных листов, включающих 75 рисунков, 7 таблиц и список используемой литературы из 54 наименований.