Методология проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов

• Автор: Куценко, Юрий Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 302 с. : ил.

Содержание работы

Введение
Глава 1 Обзор технологий, применяемых для снижения уровня
выбросов оксида азота газотурбинными двигателями
1.1 Проблема загрязнения атмосферы при сжигании углеводородных
топлив
1.2 Нормирование выбросов вредных веществ для авиационных газотурбинных двигателей и стационарных газотурбинных установок
1.3 Концепции снижения выбросов вредных веществ газотурбинными двигателями
1.3.1 Факторы, влияющие на образование вредных веществ
1.3.2 Технология малоэмиссионного горения «бедной» заранее перемешанной топливовоздушной смеси
1.3.3 Технология «богато-бедного» малоэмиссионного горения
1.3.4 Технология впрыска водяного пара
1.3.5 Применение каталитических нейтрализаторов
1.3.6 Технология каталитического горения
Глава 2. Математические модели, применяемые для описания физико-химических процессов в камерах сгорания газотурбинных двигателей
2.1 Введение
2.2 Классификация физико-химических процессов и их математические модели
2.3 Модель турбулентного течения газа
2.3.1 Основные уравнения
2.3.2 Методы моделирования турбулентных течений
2.3.3 Уравнения Рейнольдса
2.3.4 Классификация моделей турбулентности
2.3.5 Модели, основанные на гипотезе о турбулентной вязкости
2.3.6 Модель напряжений Рейнольдса
2.4 Совместный теплообмен
2.5 Моделирование процесса распространения и испарения капель
2.6 Кинетика химических реакций

2.6.1 Основные соотношения
2.6.2 Состав топлива., используемого ГТУ. Кинетические механизмы, используемые для описания процесса окисления метана
2.6.3 Состав авиационного керосина. Кинетические механизмы, применяемые для описания процесса горения керосина
2.6.4 Моделирование процесса сажеобразования
2.7 Моделирование процесса турбулентного горения
2.7.1 Обзор моделей турбулентного горения
2.7.2 Приближение диффузионного горения
2.7.3 Приближение гомогенного горения
2.7.4 Модель тонкого фронта пламени
2.7.4.1 Модель тонкого фронта пламени в приближении диффузионного горения
2.7.4.2 Модель тонкого фронта пламени в приближении горения заранее перемешанной смеси
2.7.4.3 Модель тонкого фронта пламени в приближении горения частично перемешанной смеси (Flamefront модель)
2.7.4.4 Модель взаимодействия процесса горения с процессом турбулентности
2.7.4.5 Библиотеки концентраций компонентов смеси для модели фронта тонкого пламени
2.7.4.6 Расчет скорости распространения фронта пламени в турбулентном потоке
2.7.5 Модель Зимонта для моделирования горения перемешанной или частично перемешанной топливовоздушной смеси
2.7.6 Модели горения, учитывающие индивидуальный перенос
компонентов смеси
2.7.6.1 Моделирование процесса переноса
2.1.6.2 Модель распада турбулентного вихря / модель химической
кинетики
2.7.6.3 Eddy Dissipation Concept модель
2.8 Процесс радиационного теплообмена
2.8.1 Обзор методов расчета радиационных тепловых потоков
2.8.2 Диффузионная модель радиационного теплообмена

2.8.3 Метод дискретных ординат
2.8.4 Расчет радиационных свойств среды в объеме
2.8.4.1 Расчет коэффициента поглощения смеси газов
2.8.4.2 Расчет коэффициента поглощения облака частиц
2.8.4.3 Расчет средних коэффициентов поглощения
2.9 Процесс образования оксида азота
2.9.1 Модели процесса образования Ж)х
2.9.2 Механизмы образования N0
2.9.2.1 «Термический» механизм
2.9.2.2 «Быстрый» механизм
2.9.2.3 Механизм «дожигания» N0
2.9.2.4 Образование двуокиси азота
2.9.2.5 Расчет пространственного распределения концентрации оксида
азота
Глава 3. Верификация математических моделей физико-химических процессов, протекающих в камере сгорания ГТД
3.1 Моделирование структуры потока в горелочном модуле
3.2 Математическое моделирование структуры потока турбулентного газа 108 и расчет потерь полного давления в камере сгорания
3.2.1 Расчетная модель. Граничные условия
3.2.2 Анализ структуры течения в камере сгорания
3.2.3 Анализ распределения потерь полного давления
3.2.4 Анализ структуры течения на выходе из диффузора и в жаровой
трубе
3.3 Предсказание структуры потока в камере сгорания с учетом процесса
горения
3.3.1 Методика проведения расчетов
3.3.2 Анализ структуры течения в камере сгорания
3.3.3 Анализ неравномерности поля температуры на выходе из камеры сгорания

2.3.2 Методы моделирования турбулентных течений
Турбулентные течения характеризуются широким спектром масштабов времени и длины. Для того, чтобы отследить масштабы длины до самого маленького динамического масштаба — масштаба Колмогорова и произвести расчет с использованием технологии прямого численного моделирования (Direct Numerical Simulation - DNS) требуется необычайно густая расчетная сетка и, следовательно, очень большие мощности компьютера. Лимитирующим параметром для таких расчетов является число Рейнольдса Re, так как было показано, что число требуемых узлов сетки на один кубический сантиметр объема пропорционально Rc9/4 [53]. Производительность современных компьютеров ограничивает применение DNS течениями с низкими числами Рейнольдса. Тем не менее технология DNS может быть использована для анализа течений в простых геометрических конфигурациях и служит ценным средством для разработки моделей турбулентности и горения.
Альтернативной стратегией моделирования турбулентных течений является метод моделирования больших вихрей (Large Eddy Simulation — LES). В рамках этого метода большие вихревые структуры турбулентного потока моделируются прямыми методами, тогда как малые вихри — с помощью подсеточных моделей. Преимущества LES очевидны -расчетная сетка может быть более грубой и использование LES для практических задач становится реальным. Однако имеется проблема присущая методу LES, когда он применяется к решению задачи турбулентного горения. Толщина зоны реакции может быть меньше, чем размер ячейки расчетной сетки и моделирование процесса горения необходимо вести на подсеточном уровне. Таким образом, LES методы не устраняют проблему моделирования химического источникового члена, связанную с нелинейными выражениями для скоростей реакций.
Так как в большинстве инженерных задач интересующая информация в основном ограничивается осредненными характеристиками потока, есть смысл их осреднить перед тем как найти решение системы фундаментальных уравнений. Эта процедура известна как метод осреднения по Рейнольдсу или Фавру и более подробно рассматривается в следующем разделе. В настоящее время это широко используемый метод для анализа турбулентных потоков при решении инженерных задач.
При осреднении по времени в уравнениях, как известно, возникают новые члены, которые можно интерпретировать как градиенты “кажущихся” (добавочных) напряжений и тепловых потоков, связанных с турбулентным движением. Эти новые величины должны быть связаны с характеристиками осрсдненного течения посредством моделей турбулентности, что приводит к большому количеству существующих гипотез и аппроксимаций.