При исследовании использовалась программа ANSYSFluent [1, 2]. В статье представлены результаты численного моделирования различных вариантов горелочных устройств, имеющих микрофакельные устройства. В статье рассматривались четыре варианта горелок – горелка с уголковыми стабилизаторами (а), в которой топливо подается на ось симметрии уголка, горелка с профилями лопаток (б), в которой топливо подается в пространство между спинкой профиля и накладкой, третья горелка (в), работающая по принципу встречно-закрученных струй и четвертая воздушная горелка-стабилизатор (г).
Авторами проведены многочисленные исследования с использованием уголковых стабилизаторов, несколько экспериментов с турбинными профилями и воздушными горелками-стабилизаторами [3–5].
Эксперименты показали, что уголковые стабилизаторы и воздушные горелки-стабилизаторы имеют высокие стабилизационные показатели, при относительно низких выбросах оксидов азота. Однако наличие большого сопротивления приводит к снижению давления в камере сгорания [6]. Решением этой проблемы может быть использование профилей лопаток или стабилизация встречно-закрученными струями.
Цель исследования: с помощью численного моделирования различных вариантов горелочных устройств, имеющих микрофакельные устройства, определить, какой из представленных вариантов обладает наилучшими показателями.
Материалы и методы исследования
После проведенного анализа авторы сочли необходимым численно моделировать процессы горения за микрофакельными устройствами. Также сравнить их с результатами, полученными в ходе эксперимента.
Основные уравнения
Ниже приведено уравнение переноса энергии:
(1)
где keff – эффективная проводимость, которая зависит от применяемой модели турбулентности, Jj – диффузионный поток, первые три члена правой части уравнения определяют перенос энергии теплопроводностью, диффузии частиц и вязкой диссипации соответственно, Sh – параметр, определяющий теплоту химической реакции.
Ниже приведено уравнение энергии:
(2)
Энтальпия определяется с помощью уравнения, приведенного ниже:
(3)
Финальный вид уравнении для неадиабатического диффузионного горения выглядит следующим образом
(4)
Решение уравнения транспорта выполняем для одной или двух консервативных скалярных единиц (доли смеси), чтобы решить задачи диффузионного горения. Уравнения не решаются для каждой отдельной частицы смеси.
Для решения турбулентных процессов применяются различные модели турбулентности. Для нашего случая мы воспользовались моделью k-ε realizable (реализуемое). Уравнение транспорта определяется следующими уравнениями. Первым уравнением (5) определяется турбулентная кинетическая энергия k. Вторым уравнением (6) определяется скорость диссипации ε.
(5)
(6)
Gk – определяет генерацию турбулентной кинетической энергии в связи с градиентами скорости, Gb – определяет генерацию турбулентной кинетической энергии в связи с плавучестью данных. YM, C1ε, C2 – константы, σkσε – турбулентные числа Прандтля для k и ε соответственно, SkSε – числа определяемые пользователем.
Общие данные о процессе моделирования
На рис. 1 представлен изометрический вид на область моделирования. Начальные параметры приведены в табл. 1.
а) б) в)
г)
Рис. 1. 3Д модели изучаемых горелок
Таблица 1
Начальные параметры
|
Расход топлива, кг/ч |
Скорость воздуха, м/с (бралась согласно экспериментальной установке) |
φ, коэффициент избытка топлива по [1] |
Начальная температура окислителя (воздуха)/топлива, К |
Количество тетраэдрических элементов в моделируемой области |
|
10 |
10 |
0,32 |
400 |
200000 |
Области моделирования состоят из непосредственно горелок, которые представлены на рис. 1.
На рис. 1, а, представлена горелка с уголковыми стабилизаторами. Уголки имеют угол 45 °, по отношению к оси симметрии. Топливо подавалось непосредственно на ось симметрии.
На рис. 1, б, представлена горелка с профилями лопаток. Как видно из рисунка, профили снабжены соплами, направленными на зону рециркуляции создаваемой накладкой.
На рис. 1, в, представлена горелка со встречно-закрученным способом стабилизации. Топливо подается в кольце между «верхним» и «нижним» ярусом лопаток.
На рис. 1, г, представлен вид на 3-Д модель воздушной горелки-стабилизатора при угле выходного регистра 45 °.
При моделировании использовалась модель турбулентности k-ε realizable. Она согласно [7] является наиболее оптимальным решением.
Ввиду того, что в статье рассматривалось лишь влияние подачи топлива, при моделировании скорость и значение расхода топлива не изменялись. Избыток топлива (воздуха) расчитывался согласно [1].
Результаты исследования и их обсуждение
Температурные контуры. На рис. 2 представлены контуры температуры для различных горелочных устройств. Как видно из рисунков, в горелке с уголковыми стабилизаторами пламя имеет широкую высокотемпературную зону. Горелка с турбинными профилями имеет некоторую закрутку в левую сторону, что заметно по холодной зоне, образующейся за профилями. Заметно, что процесс горения осуществляется в более тонкой зоне по сравнению с уголковыми стабилизаторами. Горелка со встречно-закрученным способом стабилизации имеет тонкую зону горения, образующуюся вокруг зоны рециркуляции.
а) б) в) г)
Рис. 2. Контуры температур: а) горелка с уголковыми стабилизаторами, б) горелка с турбинными профилями, в) горелка со встречно-закрученным способом стабилизации, г) воздушная горелка-стабилизатор
а) б) в) г)
Рис. 3. Контуры скоростей: а) горелка с уголковыми стабилизаторами, б) горелка с турбинными профилями, в) горелка со встречно-закрученным способом стабилизации, г) воздушная горелка-стабилизатор
В воздушных горелках кинетическая энергия потока воздуха тратится на дробление струй газа, в результате чего происходит интенсивное перемешивание. Затем топливовоздушная смесь поступает в камеру сгорания и интенсивно выгорает в первичной зоне. В воздушной горелке-стабилизаторе процесс сжигания топлива заканчивается раньше. Это косвенно влияет на габарит камеры сгорания [8, 9]. Пламя имеет симметричную форму. Наиболее высокие температуры достигают 2200 К [10].
Скоростные контуры. На рис. 3 представлены контуры скоростей для различных горелочных устройств. При горении за уголковыми стабилизаторами продукты сгорания имеют наиболее высокие скорости. Это можно объяснить тем, что топливо с большой скоростью подается на оси симметрии уголковых стабилизаторов. Горелка с профилями лопаток имеет нессиметричный скоростной контур, приводящий к неравномерному температурному контуру. Отсутствует полноценная рециркуляционная зона, что снижает гидравлические потери давления.
Горелка со встречно-закрученной стабилизацией имеет относительно низкие продольные скорости по сравнению с остальными горелочными устройствами, ввиду закрутки при помощи разнонаправленных лопаточных устройств.
Концентрация оксидов азота (NOx). Оксиды азота являются побочным продуктом сжигания [7]. К основным причинам образования оксидов азота относится: время нахождения газов в зоне горения, высокая температура и качество перемешивания топлива с окислителем [11]. Из полученных численных и экспериментальных работ можно сделать вывод: сократить общее время нахождения газов в зоне горения можно обеспечить за счет разделения факела на более мелкие – микрофакельное горение [12, 13].
В табл. 2 представлены данные по результатам моделирования. Как видно из рисунков, максимальные температуры и концентрации оксидов азота имеет горелка с уголковыми стабилизаторами. Это говорит о двух вещах: что уголки имеют более высокую полноту сгорания, за счет чего повышается температура и концентрация оксидов азота на выходе из горелочного устройства. С другой стороны, относительно большой расход топлива непосредственно на угол симметрии приводит к увеличению общей скорости топливно-воздушной смеси.
Таблица 2
Данные по результатам моделирования
|
Вариант |
Температура газов на выходе, К |
Концентрация NOx, ppm |
Скорость газов на выходе, м/с |
|
а |
1832 |
55 |
33,7 |
|
б |
1645 |
45 |
38,04 |
|
в |
1347 |
17 |
33 |
|
г |
1410 |
31 |
33,9 |
Наиболее низкие температуры имеет горелочное устройство со встречно-закрученными струями, а также самые низкие концентрации оксидов азота. Данное обстоятельство объясняется тем, что закрутка ТВС приводит к увеличению поперечных скоростей, что приводит к снижению скорости. Однако в таком горелочном устройстве низкий уровень горения, ввиду недостаточной перемешанности газа с окислителем. Горелка с профилями имеет средние значения между двумя вариантами горелочных устройств.
Заключение
Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы: все вышеприведенные схемы микрофакельных устройств хорошо моделируются с использованием программы ANSYSFluent. Уголковые стабилизаторы обеспечивают высокую полноту сгорания, однако, с другой стороны, это приводит к повышению концентрации оксидов азота. В воздушных форсунках более устойчивое горение. Профили лопаток имеют более низкие концентрации и температуру уходящих газов. Горелка со встречно-закрученным способом стабилизации имеет наиболее низкие концентрации оксидов азота и скорости. В дальнейшем при проведении экспериментов мы сможем значительно сократить доводку камеры сгорания ГТД с вышеуказанными горелочными устройствами.