№ 6
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 641.454.2
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПУЛЬСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАЛОГАБАРИТНЫХ ГЕНЕРАТОРАХ ВЫСОКОЭНТАЛЬПИЙ-НОГО ПОТОКА С ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ
© 2014 г. В. Ю. АЛЕКСАНДРОВ, К. Ю. АРЕФЬЕВ, М. А. ИЛЬЧЕНКО
"Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова ", Москва
E-mail: arefyev@rambler.ru
Статья посвящена расчетно-экспериментальному исследованию нестационарных процессов в камерах сгорания малогабаритных генераторов высокоэнтальпий-ного потока (МГВП) с газодинамической системой воспламенения (ГСВ). Актуальность задачи обусловлена необходимостью прогнозирования амплитуд и частот пульсаций давления в проточном тракте МГВП при различных режимах работы. В работе представлены адаптированная математическая модель и методы проведения экспериментальных исследований для определения спектральных характеристик пуль-сационного процесса в МГВП на этапе воспламенения и на рабочем режиме. Получены спектральные характеристики пульсаций давления в камере сгорания МГВП. Приведенные данные могут быть использованы для диагностики рабочего процесса в авиационных энергосиловых установках, стендовых газогенераторах, огневых подогревателях воздушного потока, технологическом оборудовании для напыления покрытий и др.
Ключевые слова: нестационарное течение, пульсации давления, экспериментальное исследование, математическое моделирование.
NUMERICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION NON-STATIONARY PROCESSES IN THE COMPACT HIGH ENTHALPY FLOWS GENERATORS WITH GASDYNAMICALLY IGNITION SYSTEM
V. Y. Aleksandrov, K. Y. Arefyev, M. A. Ilchenko
"Central Institute of Aviation Motors named after P.I. Baranov", Moscow
The paper presents numerical and experimental investigation of non-stationary processes in combustion chambers of compact high enthalpy flow generators (CHEFG) with gas-dynamic ignition system (GDIS). Urgency of the problem stems from the need prediction of amplitudes and frequencies pressure fluctuations in the flow path CHEFG on various modes. The paper presents a mathematical model and adapted methods of experimental research to determine the spectral characteristics of the pulsation process CHEFG on stage ignition and operation. The spectral characteristics of pressure fluctuations in the combustion chamber CHEFG. Given in the article data can be used to diagnose a workflow to a power plant, aerospace systems, bench, gas generators, fired heaters air flow, process equipment for spraying, etc.
Key words: unsteady flow, pressure pulsations, experimental research, mathematical modeling.
Введение
В последнее время актуально развитие малогабаритных генераторов высокоэнталь-пийного потока (МГВП). Примерами их использования могут служить энергосиловые установки авиационно-космических систем [1], стендовые газогенераторы, огневые подогреватели воздушного потока, технологическое оборудование для напыления покрытий и абразивной резки материалов [2] и другие устройства.
В работе [3] показано, что для некоторых топливных композиций возможно применение высокоэффективной газодинамической системы воспламенения (ГСВ). Типичная схема и характерные геометрические параметры МГВП с ГСВ показаны на рис. 1. В состав МГВП входят сопло ГСВ (1) с диаметром критического сечения Л1, форкамера (2) протяженностью Ьф, резонатор ГСВ (3) с глубиной полости S, форсуночная головка (4) толщиной Ьг, камера сгорания (КС) (5) длиной Ьк и диаметром Лк, сопло МГВП (7) с протяженностью дозвуковой части Ьс и диаметром критического сечения Дкр.
Принцип действия ГСВ основан на эффекте Гартмана—Шпренгера [4], заключающемся в переходе части кинетической энергии подаваемого через сопло газа в теплоту. При подаче через сопло газообразных компонентов топлива и определенном соотношении геометрических и режимных параметров ГСВ формируется нестационарная ударно-волновая структура газодинамического течения, состоящая из "бочки" и диска Маха. В случае, когда диск Маха локализуется в области входной кромки резонатора, возникают продольные автоколебания, поддерживаемые кинетической энергией подаваемого газа. При этом в застойной зоне резонатора осуществляется интенсивный нагрев топлива. Выделение тепла происходит за счет высокочастотного циклического процесса прохождения и отражения ударных волн от торцевой стенки резонатора. Высокий уровень температур в резонансной полости приводит к воспламенению топлива и распространению этого процесса в КС.
Работа МГВП осуществляется следующим образом. В процессе запуска первым в КС подается окислитель через сопло ГСВ. Затем осуществляется подача горючего в ГСВ и с некоторой задержкой в КС. При надлежащем профилировании газодинамического тракта ГСВ, истекающая из сопла 1 топливная смесь может быть нагрета в резонаторе 3 до температуры воспламенения. После воспламенения в резонаторе процесс горения распространяется в форкамеру 2, откуда высокотемпературные продукты сгорания попадают в КС (5), и инициируют основной рабочий процесс. При этом в режиме запуска соотношение компонентов топлива в КС отличается от номинального. Через интервал времени 0,5...1,5 с подача горючего в ГСВ прекращается при сохранении номинального расхода в КС, после этого МГВП выходит на заданный режим по давлению и соотношению компонентов в КС.
Отдельное внимание при создании МГВП уделяется исследованию нестационарных и пульсационных процессов в КС. Это связано с влиянием амплитуды и частоты пульсаций давления на интенсификацию теплообмена в проточном тракте, излучаемое акустическое поле и возбуждение неустойчивости рабочего процесса в камерах сопряженных энергосиловых установок. Следует отметить, что высокоамплитудные
Ьг
Рис. 1. Принципиальная схема МГВП с ГСВ: 1 — сопло ГСВ; 2 — форкамера; 3 — резонатор ГСВ; 4 — форсуночная головка; 5 — КС; 6 — сопло МГВП
4 Энергетика, № 6
97
Рис. 2. Характерная структура течения в ГСВ: 1 — сопло; 2 — резонатор; 3 — система скачков уплотнения; 4 — бочка; 5 — замыкающий прямой скачок
пульсации давления продуктов сгорания в технологическом оборудовании класса НУОБ [2] приводят к неравномерности напыления и существенному ухудшению эксплуатационных качеств напыляемого покрытия.
Исследование спектральной характеристики динамической составляющей давления в МГВП с ГСВ усложнено многорежимностью работы, наличием форкамеры, эшелонированной системы подачи топлива и резонансной полости. Таким образом, актуальным вопросом является расчетное прогнозирование и экспериментальное определение характеристик пульсаций давления, которые возникают в камерах МГВП на режимах горения топливной смеси.
Математическая модель
Функционирование МГВП включает этапы запуска и работы на номинальном режиме. Каждый из этапов представляет определенный интерес для изучения частот пульсаций давления.
Для этапа запуска МГВП характерны высокоинтенсивные пульсации давления, вызванные нестационарным течением в ГСВ.
Возбуждение интенсивных пульсаций давления возможно при режимных и геометрических параметрах, обеспечивающих положение прямого скачка уплотнения вблизи входной кромки резонатора (рис. 2).
Частота пульсаций /тах, соответствующая максимальной амплитуде, определяется аналитическим выражением, характерным для четвертьволнового резонатора: /тах = = 0,25ар/^* (где ар — осредненная скорость звука по длине резонатора). Учитывая то, что скорость звука пропорциональна квадратному корню из температуры газа, определение /тах возможно только для известного распределения температуры в резонансной полости, но зона высоких температур в резонансной полости составляет менее 0,2& Этот факт позволяет для приближенных оценок скорости звука использовать уравнение
ар _ (окДокТок) ,
где кок — показатель адиабаты; Яок — газовая постоянная и Ток — температура торможения окислителя во входном сечении ГСВ.
Уточненное прогнозирование частот и определение амплитуды пульсаций давления в МГВП при работе ГСВ возможно на основе моделирования нестационарного газодинамического течения и процесса локального прогрева рабочего тела в резонаторе [5]. Учитывая геометрическую конфигурацию МГВП с ГСВ, целесообразна двумерная нестационарная постановка задачи. Достаточно точное решение можно получить при интегрировании полной, осредненной по Фавру для турбулентных течений, системы уравнений Навье—Стокса, физическая основа которых описана в [6]:
д(гр) + д(гри) + д(гри) = 0. д? дх дг
д(г?и + (г ри2 + гр - г с х) + д (грии - г т хг) = 0;
д? дх дг
d(rpu) , д/ \ , d , 2 , ч
\ + — (rpuu - rт) + — (rpuu + rp - rur) = p - CT0;
dt dx dr
d dt
rp
U+
dx
rp
^ V^ 2 ^ dT
U +--i u + ru(p - ctx) - ruT xr - rX —
2 ) dx
dr
Л
V 2 ) d T
rp I U + — I и + ru(p - ctr) - ruTxr - rX— 2 ) dr
= 0;
(1)
CTx = *g + (2 -2ц)));
CTr = 2ц dU + (ц2 - 3 ц) divC7);
CT0 = 2ц r + (ц2 - 3 ^)div(V),
,.(du, du
Vor dx
p/p = RT.
Здесь t — время; х, r — цилиндрические координаты; р — давление; Т — температура; р — плотность; и, и — проекции вектора скорости V на оси координат; ц — динамический коэффициент вязкости (с учетом модели турбулентности); — коэффициент объемной вязкости; U — внутренняя энергия газа; R — газовая постоянная.
Типичная топология структурированной расчетной сетки, используемой при моделировании нестационарного течения в МГВП с ГСВ, приведена на рис. 3. Следует подчеркнуть, что в зависимости от размеров и детализации расчетной области количество элементарных ячеек обычно составляет 30...100 тыс.
Работа МГВП в номинальном режиме характеризуется горением топливной смеси в КС при подаче окислителя через сопло ГСВ и горючего — через форсуночную головку. При воздействии на газовый объем КС турбулентных пульсаций давления с широкополосным спектром, возникающих в нем при горении, зарегистрированный в любой точке объема КС спектр сигнала пульсаций давления (отклик) может достигать максимумов на частотах, которые соответствуют максимумам спектра воздействия или модуля амплитудно-частотной характеристики газа в проточном тракте МГВП [7].
Учитывая, что наибольший теплоподвод организуется в КС, а форсун
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.