24 марта 2017г.
В классической камере сгорания, где степени сжатия и температура на выходе достаточно невысоки (T ≈ 1250 K), а в первичной зоне реализуется процесс стехиометрического горения, его достаточно хорошо описывает модель диффузионного горения [1,2,3]. Наличие стехиометрической зоны ведёт к образованию высокотемпературных областей вблизи фронта пламени, которые с одной стороны стабилизируют горение, но с другой обуславливают высокую скорость образования оксидов азота [4,5]. Исходя из этого, одним из перспективных направлений развития газотурбинных двигателей является использование микрофакельной схемы горения топлива.
Основной отличительной особенностью микрофакельной модели горения является наличие коллективных эффектов взаимодействия струй. Эти эффекты слабо изучены и представляют интерес к их изучению с целью повышения рабочих параметров газотурбинной техники.
Для изучения отмеченных эффектов выполнены численные и экспериментальные исследования, в которых были получены характерные зависимости, описывающие газодинамику системы микрофакельных струй с учетом их взаимодействия.
Задачей проведения численного расчёта является выявление коллективных эффектов в системе микрофакельных диффузионных струй, а также определение характера поля течения, с последующим сравнением с характеристиками одиночной диффузионной затопленной струи.
Численное моделирование производилось в 2D стационарной постановке. Для расчёта была спроектирована схема c тремя подводами газа и выходными диаметрами – 3мм. Выходные сопла находятся друг от друга на расстоянии в 5,34 калибра. Расчёт производился при турбулентном режиме при Re=12500. Давление среды, в которую происходит истечение составляет 101325 Па.
На рисунках 1 и 2 приведены результаты численного расчёта для системы из 3 диффузионных струй при турбулентном режиме (Re=12500).
На приведенных результатах (рисунок 1-2) можно наблюдать наиболее ярко выраженный коллективный эффект системы струй. Связано это с тем, что с увеличением числа Re коллективные эффекты струй усиливаются. Характер распределения скорости на исходном сечении в 0,33 калибра мало чем отличается от поведения одиночной диффузионной струи. С расстояния в 2 калибра уже можно наблюдать характерное неравномерное распределение поля скорости, ввиду появления коллективных эффектов. Опять же, следует отметить, что в данной постановке численное моделирование не даёт точных и адекватных результатов, по которым можно бы было каким-то образом охарактеризовать коллективный эффект.
Проведя экспериментальное исследование по изучению коллективных эффектов диффузионных микрофакельных струй, были получены характеризующие параметры для оценки влияния коллективных
эффектов на характер течения струй. По полученным величинам были построены сравнительные зависимости между системой микрофакельных струй и одиночной струёй. Данные функции представлены на рисунках 3-4.
Функция представленная на рисунке 3 имеет выраженный нелинейный характер. На зависимости явно наблюдается минимальное отклонение значений струй состоящих в системе, что обусловлено наличием коллективных эффектов. При переходе системы струй из переходного режима в турбулентный наблюдается существенное увеличение относительного диаметра струй, чего нельзя сказать о одиночной струе. Максимумы длин струй состоящих в коллективе наблюдается при Re=8500, а для одиночной струи при Re= 7100.
На зависимости периода колебания от числа Re, можно отметить линейный характер движения функции для коллектива струй от ламинарного режима до переходного. Зависимость для одиночной струи не имеет линейный характер в данной области, в области Re=2750…5000 наблюдается характерный перегиб. Минимальный период совершения колебаний находится в диапазоне Re=5000 и более.
Список литературы
1.
Гурьянов А. И. Вихревые горелочные устройства / А. И. Гурьянов, О. В. Казанцева, М. В. Медведева, Ш. А. Пиралишвили // Инженерный журнал. – 2005. – №5. – прил. – С. 8 – 15.
2.
Пиралишвили Ш. А. Вихревые горелки с противотоком / Ш. А. Пиралишвили, А. И. Гурьянов //
Конверсия в машиностроении –
Conversion in machine building of Russia. – 2008. – № 1. – С. 11
– 16.
3.
Гурьянов А. И. Экспериментальное и теоретическое исследование механизмов горения в ограниченном закрученном потоке / А. И. Гурьянов, Ш. А. Пиралишвили // Тепловые процессы в технике. – 2009. – Т.1-№5. – С. 170 – 177.
4.
Gur’yanov A. I., Evdokimov O.A., Piralishvili Sh.A., Veretennikov S.V., Kirichenko R.E., Ievlev D.G. Analysis of the gas turbine engine combustion chamber conversion to associated petroleum gas and oil // Russian Aeronautics (Iz. VUZ). – New York: Allerton Press Inc., 2015. – №2. – Vol. 58. – P. 205- 209.
5.
Piralishvili Sh. A. Development and investigation of a vortex burner / Sh. A. Piralishvili, A. I. Gurianov, F. Ali // Nonequilibrium Processes. Vol. 1. Combustion and Detonation. Edited by G. D. Roy, S. M. Frolov, A. M. Starik. – Moscow: Torus Press Ltd., 2005. – Р. 132 – 139.
