Развитие методов численного моделирования процессов в камерах сгорания тепловых двигателей и энергоустановок

• Автор: Демин, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 05.07.05, 05.04.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 245 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

1. Состояние проблемы моделирования сложных

реагирующих течений

1.1. Принципы построения математических моделей

1.2. Двухфазные турбулентные течения

1.3. Испарение капель жидкости

2. Комплексное моделирование рабочих процессов в камерах сгорания

2.1. Схемы физикохимических процессов и структура комплексной модели

2.2. Кинетическая многореакторная модель и алгоритм

решения
2.3. Краткое описание базового программного обеспечения
3. Моделирование реагирующей среды
3.1. Представление сложных углеводородных горючих в виде их многокомпонентных аналогов
3.2. Моделирование химического взаимодействия при горении углеводородов
3.3. Расчет скорости нормального горения перемешанной смеси
3.4. Апробация моделей реагирующих систем
4. Моделирование и исследование реагирующего газожидкостного течения при наличии зоны обратных токов и испарении капель многокомпонентной жидкости
4.1. Физическая схема процессов и структура математической модели
4.2. Апробация комплексной модели
4.3. Численные исследования реагирующего течения в камере
сг орания парогазогенератора
5. Моделирование и исследование процессов в камере
сгорания теплогенератора
5.1. Способы снижения выбросов вредных веществ
при сжигании природного газа
5.2. Схема процессов в камере сгорания теплогенератора
5.3. Исследование влияния конструкционных и режимных параметров на эффективность рабочего процесса
6. Моделирование процесса сгорания в цилиндре ДВС
6.1. Физическая схема и математическая модель
процесса горения
6.2. Результаты численных исследований
Заключение
Список литературы


Указанные особенности были использованы в приближенной аналитической модели испарения и горения многокомпонентной капли, описанной в работе [5]. Л . К - константа испарения. Практическое применение данной модели ограничивается отсутствием учета периода начального нагрева капли и влияния газового потока на процесс испарения. Кроме того, допущение о стационарности температуры поверхности капли не всегда соответствует физической картине процесса. В некоторых случаях многокомпонентные капли могут разрушаться при испарении. Одной из причин нестабильности капли является ее нагрев до температур выше температуры кипения отдельных компонентов. В работе [1] рассматривались два предельных случая. А=1. Лимитирующим фактором в этом случае была летучесть компонентов: более летучие компоненты испарялись быстрее. Во втором случае, при отсутствии внутренней конвекции, лимитирующим фактором становилась жидкостная диффузия, соотношение между концентрациями компонентов стремилось к постоянным значениям. Более детальный анализ влияния внешнего газового течения на характеристики испарения многокомпонентных капель [5] был основан на модели испарения двухкомпонентной жидкости с плоской поверхностью раздела между жидкой и газовой фазами. Полученные результаты привели к следующим выводам. При движении капли в газовом потоке процесс испарения зависит от соотношения времени нагрева и времени достижения кинематического равновесия. Если скорость капли быстро достигает местной скорости газа, то фактором, определяющим характер испарения компонентов, становится нагрев капли. Интенсивность внутренней циркуляции снижается и подвод компонентов к поверхности капли осуществляется за счет диффузии. При быстром нагреве капли становится более заметным влияние внутренней циркуляции, которая является следствием обтекания капли внешним потоком. Подвод летучих компонентов к поверхности интенсифицируется, и испарение становится подобным процессу перегонки. Рассмотренные модели испарения капель многокомпонентных жидкостей показали, что аналитические решения имеют ряд ограничений на практическое применение, а численные методы значительно усложняют разработку алгоритма решения комплексной задачи прогнозирования параметров газожидкостных течений. Решение полных систем уравнений сложных реагирующих течений представляет определенные общеизвестные затруднения. Частные решения определяются начальными и граничными условиями, набором учитываемых химических компонентов и кинетическим механизмом. Множество прикладных задач расчета процессов горения решается в одномерной либо в двумерной постановке, рассматриваются стационарные режимы, учитываются сравнительно простые химические механизмы, или задача решается в предположении химического равновесия. Находят широкое применение модели, основанные на разделении рабочего объема КС на несколько реакционных зон -реакторов. Ключевую роль в моделировании процессов горения имеет детализированное представление химического преобразования исходных компонентов в продукты сгорания. Достаточно хорошо изученными являются кинетические механизмы горения простых углеводородных соединений, механизмы образования Ж)х- Сложность состава традиционных жидких углеводородных топлив обусловила недостаточность систематического описания механизмов их сгорания, что приводит к ограничениям при выполнении вычислительных экспериментов, направленных на повышение экологических характеристик ТД и ЭУ. Несмотря на то, что известны и применяются наборы химических реакций горения углеводородов, включающие сотни веществ и тысячи реакций, существует устойчивая тенденция использования при численном моделировании горения компактных кинетических схем. Основной тенденцией развития численного моделирования процессов в КС ТД и ЭУ является создание универсального математического и программного обеспечения, построенного на модульном принципе и обладающего открытостью и гибкостью, предоставляющего пользователю возможности модификации и усовершенствования моделей и алгоритмов решения, изменения начальных и граничных условий, применения средств представления и интерпретации результатов.