ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 535.71
ТРЕХМЕРНОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В НЕПРЕРЫВНО-ДЕТОНАЦИОННОЙ КАМЕРЕ СГОРАНИЯ С РАЗДЕЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ ВОДОРОДА И ВОЗДУХА © 2015 г. А. В. Дубровский1, 2, 3, В. С. Иванов1, 2, С. М. Фролов1, 2, 3*
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва 2Центр импульсно-детонационного горения, Москва 3Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва *Е-таП: smfrol@chph.ras.ru Поступила в редакцию 19.09.2014
С целью проверки предсказательной способности вычислительной технологии, разработанной в ИХФ РАН, проведены трехмерные расчеты рабочего процесса в водородно-воздушной непрерывно-детонационной камере сгорания (НДКС) Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН с воспроизведением геометрических размеров всех элементов экспериментальной камеры сгорания и основных режимных параметров. В результате расчетов получены результаты, которые по всем измеряемым характеристикам удовлетворительно согласуются с экспериментом. Специально изучен вопрос о допустимости использования плоского двумерного приближения с периодическими граничными условиями для моделирования физико-химических процессов в кольцевой НДКС. Показано, что распределения плотности, температуры, числа Маха и осевой составляющей скорости в различных сечениях камеры сгорания являются существенно трехмерными, тогда как распределение статического давления с увеличением расстояния от днища НДКС приближается к двумерному. Трехмерные расчеты показали, что общепринятое предположение о сверхзвуковом истечении на выходе двумерной расчетной области не всегда корректно: в выходном сечении могут существовать обширные зоны дозвукового истечения продуктов детонации.
Ключевые слова: непрерывно-детонационная камера сгорания, водородно-воздушная смесь, трехмерное численное моделирование.
Б01: 10.7868/80207401Х1502003Х
ВВЕДЕНИЕ
В 1940 г. Я.Б. Зельдович предложил использовать в энергетических установках детонационное (быстрое) горение [1] в качестве альтернативы обычному (медленному) горению и показал, что термодинамическая эффективность цикла с детонационным горением превышает эффективность цикла с горением при постоянном объеме. Для организации управляемого детонационного горения предложено множество схем, включая схемы (см. обзор [2]) с импульсно-детонационным рабочим процессом и схемы (см. обзор в [3]) с непрерывно-детонационными камерами сгорания (НДКС). Импульсно-детонационный рабочий процесс основан на циклическом заполнении камеры сгорания горючей смесью с последующим инициированием и распространением детонации и истечением продуктов. В НДКС горючая смесь подается непрерывно и сгорает в одной или нескольких детонационных волнах (ДВ), циркулирующих в тангенциальном направлении поперек по-
тока [4]. Объект исследования данной работы — НДКС, в которой горючая смесь формируется при раздельной подаче водорода и воздуха.
В последнее время интерес к НДКС сильно возрос: во многих странах ведутся расчетно-экс-периментальные работы по созданию энергоэффективных камер сгорания для целого спектра практических приложений как в аэрокосмической технике, так и в энергетике. В частности, большие усилия направлены на разработку предсказательных вычислительных технологий, позволяющих сократить затраты на поисковые работы и проектирование НДКС.
Первые вычислительные технологии для исследования рабочего процесса в кольцевой НДКС были основаны на двумерных уравнениях течения невязкого нетеплопроводного реагирующего газа [5]. Использование двумерного приближения предполагает, что кольцевую камеру сгорания можно "разрезать" по образующей, параллельной оси камеры, и "развернуть" на плоскость,
5
65
а на образованных боковых границах поставить периодические граничные условия. Несмотря на то, что двумерное приближение существенно упрощает картину течения, исключая из рассмотрения дифракцию ДВ на искривленных поверхностях камеры сгорания и многие другие эффекты, связанные с конструкцией входных устройств, такие технологии позволили исследовать структуру ДВ, распространяющейся в кольцевом канале, изучить основные закономерности рабочего процесса в НДКС и выделить те параметры процесса, которые определяют области существования рабочего режима. Сегодня двумерные расчетные технологии в основном используются для экспресс-анализа перспективности различных конфигураций НДКС и поиска путей снижения термодинамических потерь. Например, недавно в работе [6] с помощью двумерных невязких расчетов доказано, что сложный рабочий процесс в НДКС в целом соответствует термодинамическому циклу Я.Б. Зельдовича. Отметим, что в литературе до сих пор нет убедительного обоснования применимости двумерного приближения к описанию рабочего процесса в НДКС на основе сравнения результатов двумерных и трехмерных расчетов.
Современные вычислительные технологии основаны на трехмерных уравнениях течения в НДКС. В работах [7—10] разработаны вычислительные программы, основанные на трехмерных уравнениях течения невязкого нетеплопроводного реагирующего газа, причем в [7] в алгоритме численного решения уравнений использован эффективный метод динамического сгущения расчетной сетки в областях с большими градиентами параметров течения. Основной недостаток разработанных в [7—10] технологий — использование уравнений течения невязкого нетеплопроводного газа, что исключает возможность адекватного моделирования процессов смешения топливных компонентов и горения вещества в зонах контакта свежей смеси с продуктами детонации.
В 2010 г. в лаборатории детонации ИХФ РАН и созданном на ее основе Центре импульсно-дето-национного горения поставлена задача разработать научные основы проектирования НДКС для энергетики и транспорта. В том же году на основе имеющихся программных средств разработана вычислительная технология, позволяющая проводить полномасштабное трехмерное моделирование рабочего процесса в НДКС с учетом турбулентности и микросмешения [11]. До настоящего времени с помощью этой программы проведены расчеты режимов и характеристик НДКС с предварительно перемешанными топливными компонентами — водородом и воздухом [12] — и при их раздельной подаче [13], а также расчеты, направленные на решение проблем сопряжения НДКС
с компрессором и турбиной в перспективных газотурбинных двигателях [12, 14, 15].
Данная работа — продолжение исследований, начатых в работе [13], где проведено трехмерное численное моделирование рабочего процесса в кольцевой НДКС при раздельной подаче топливных компонентов — водорода и воздуха, причем конструкция камеры сгорания и основные режимные параметры были такими же, как в экспериментах, проведенных в работах [16, 17]. В расчетах приняты во внимание эффекты, связанные с конечными скоростями турбулентного и молекулярного смешения компонентов горючей смеси (друг с другом и с продуктами детонации) и химических превращений. При сравнении расчетов с экспериментальными данными Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (ИГиЛ) оказалось, что расчетная высота слоя водо-родно-воздушной смеси непосредственно перед фронтом ДВ, бегущей по существенно неоднородной среде с переменными температурой и химическим составом, составила около 100—150 мм, что соответствует толщине слоя в экспериментах из [16, 17]. В отличие от этих экспериментов, где регистрировались две или три ДВ, одновременно бегущие над днищем камеры, в расчетах [13] при тех же условиях получен устойчивый рабочий процесс с одной ДВ. Однако внимательный анализ результатов расчетов показал, что в структуре течения за ДВ периодически возникают дополнительные сверхзвуковые фронты реакции (один, два и более), которые не трансформируются в ДВ. Указанные различия расчетов и экспериментов требовали дополнительного исследования. В частности, в [13] к возможным причинам такого различия отнесено использование упрощенной модели молекулярного смешения и упрощенной одностадийной кинетической схемы окисления водорода.
В данной работе уточнены кинетические параметры реакции окисления водорода и граничные условия на входе НДКС — факторы, которые, как оказалось, играют важную роль в установлении того или иного режима работы НДКС.
1. НЕПРЕРЫВНО-ДЕТОНАЦИОННАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ
На рис. 1 показана схема расчетной области, включающей воздушный ресивер 1, патрубок воздушного коллектора 2, воздушный коллектор 3, топливный коллектор 4, НДКС 5 и выходной ресивер 6 с размерами основных элементов. В отличие от работы [13], в схему расчетной области дополнительно включен воздушный ресивер 1 с патрубком воздушного коллектора 2, которые используются с целью предотвратить влияние граничных условий на входе НДКС на характери-
Водород
Продукты " детонации -
Ь = 1
Ь„ = 665
Ось симметрии
6
о т
2500
5
г
А-А
Рис. 1. Геометрические размеры (в мм) НДКС (см. текст).
стики рабочего процесса. Конструкция и размеры НДКС взяты из работ [16, 17]. Камера сгорания представляет собой осесимметричный кольцевой канал с внутренним и наружным диаметрами кольцевого зазора = 260 мм и dext = 306 мм, соответственно (ширина зазора А = 23 мм), и длиной г = Ьс = 665 мм (вместо 400 мм, как в [13]). Осевое расстояние г отсчитывается от днища НДКС (г = 0). Между днищем и внешней стенкой камеры предусмотрена кольцевая щель шириной 8 = 2 мм для подачи воздуха в осевом направлении из воздушного коллектора. Горючее (водород) поступает в камеру из топливного коллектора в радиальном направлении через 200 одинаковых отверстий, расположенных равномерно по окружности внешней стенки камеры на расстоянии г = = 1 мм. Общая площадь сечения отверстий ^ = 40 мм2. Левый конец воздушного коллектора 3 соединен с воздушным ресивером 1 размером 200 х 200 х 200 мм через один патрубок 2 "квадратного" сечения 28 х 28 мм. Правый конец камеры сгорания 5 соединен с выходным ресивером 6 размером 2500 х 900 мм.
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Для описания физико-химических процессов в НДКС использовали математическую модель, подробно описанную в работе [12]. Здесь лишь вкратце опишем ее основные особенности.
Течение
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.