Численное моделирование сажеобразования в восстановительных газогенераторах кислородно-метановых жидкостных ракетных двигателей

Разработан метод для численного моделирования рабочих процессов в восстановительных газогенераторах с расчетом детальной структуры процесса образования конденсированной фазы (сажи). Полагают, что сажа образуется из газофазного горючего в два этапа. На первом этапе образуются активные ядра радикалов, а на втором этапе из этих ядер формируются частицы сажи. Выполнено численное моделирование процессов течения, смешения и горения топлива, а также сажеобразования в модельных восстановительных кислородно-метановых газогенераторах с газожидкостными соосными смесительными элементами струйно-струйного типа. Газогенераторы такого типа могут использоваться в перспективных кислородно-метановых жидкостных ракетных двигателях, работающих по открытой и замкнутой схемам с восстановительными газогенераторами, а также по схеме газ--газ, имеющей восстановительный и окислительный газогенераторы. Выполнен сравнительный анализ особенностей сажеобразования в газогенераторах с одно- и многофорсуночной смесительными головками. Показано, что уменьшение шага между смесительными элементами приводит к существенному изменению процессов смесеобразования, выгорания топлива и течения продуктов сгорания (при прочих равных условиях), что значительно снижает интенсивность образования конденсированной фазы в восстановительных газогенераторах. Метод численного моделирования будет использован при проведении исследований процессов горения топлива и образования конденсированной фазы в восстановительных газогенераторах современных и перспективных жидкостных ракетных двигателей на этапах разработки, конструирования и доводки

Литература

[1] Белов Е.А., Богушев В.Ю., Клепиков И.А. и др. Результаты экспериментальных работ в НПО "Энергомаш" по освоению метана как компонента топлива для ЖРД. Труды НПО "Энергомаш" имени академика В.П. Глушко, 2000, т. 18, с. 86--100.

[2] Аджян А.П., Лёвочкин П.С. Особенности разработки восстановительного газогенератора для метанового многорежимного двигателя. Труды НПО "Энергомаш" имени академика В.П. Глушко, 2012, т. 29, с. 211--223.

[3] Leontev N.I., Kolkin Ye.N., Zavyalov V.S. KB Khimmash LOX/LNG development status. 48th Int. Аerospace Cong. Berlin, 2000, pp. 23--28.

[4] Gorokhov V.D., Rachuk V.S., Grigorenko I.N. Development of liquid propulsion engines, working on liquefied natural gas and liquid oxygen. 1st Int. Conf. Green Propellants for Space Propulsion. Noordwiyk, Netherlands, 2001, pp. 235--240.

[5] Dorofeev A.A., Yagodnikov D.A. Thermodynamic modeling of the composition and characteristics of combustion products of overrich liquid rocket fluids in the quenching mode. High Temp., 2018, vol. 56, no. 2, pp. 263--269. DOI: https://doi.org/10.1134/S0018151X18010066

[6] Трусов Б.Г. Программная система моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах. Инженерный журнал: наука и инновации, 2012, № 1. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2012-1-31

[7] Kalmykov G.P., Larionov A.A., Sidlerov D.A., et al. Numerical simulation and investigation of working process features in high-duty combustion chambers. J. Engin. Thermophys., 2008, vol. 17, no. 3, pp. 196--217. DOI: https://doi.org/10.1134/S1810232808030053

[8] Magnussen B.F., Hjertager B.H. On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symp. (Int.) Combust., 1977, vol. 16, no. 1, pp. 719--729. DOI: https://doi.org/10.1016/S0082-0784(77)80366-4

[9] Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. М., Химия, 1972.

[10] Krestinin A.V., Kislov M.B., Raevskii A.V., et al. On the mechanism of soot particle formation. Kinet. Catal., 2000, vol. 41, no. 1, pp. 90--98. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02756146

[11] Krestinin A.V. Detailed modeling of soot formation in hydrocarbon pyrolysis. Combust. Flame, 2000, vol. 121, no. 3, pp. 513--524. DOI: https://doi.org/10.1016/S0010-2180(99)00167-4

[12] Lautenberger Ch.W., de Ris J.L., Dembsey N.A., et al. A simplified model for soot formation and oxidation in CFD simulation of non-premixed hydrocarbon flames. Fire Saf. J., 2005, vol. 40, no. 2, pp. 141--176. DOI: https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2004.10.002

[13] Sarlak R., Shams M., Ebrahimi R. Numerical simulation of soot formation in a turbulent diffusion flame: comparison among three soot formation models. Proc. Inst. Mech. Eng. C: J. Mech. Eng. Sc., 2012, vol. 226, no. 5. DOI: https://doi.org/10.1177%2F0954406211421997

[14] Yunardi A., Elwina B., Sylvia N., et al. A comparative performance study of soot formation models in methane elevated pressure non-premixed flames. Appl. Mech. Mater., 2012, vol. 110-116, pp. 18--22. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.110-116.18

[15] Karatas Ah.E., Gulder O.L. Soot formation in high pressure laminar diffusion flames. Prog. Energy Combust. Sc., 2012, vol. 38, no. 6, pp. 818--845. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pecs.2012.04.003

[16] Leung K.M., Lindstedt R.P., Jones W.P. A simplified reaction mechanism of soot formation in non-premixed flames. Combust. Flame, 1991, vol. 87, no. 3-4, pp. 289--305. DOI: https://doi.org/10.1016/0010-2180(91)90114-Q

[17] Habiballah M., Vingert L., Traineau J.C., et al. Mascotte --- a test bench for cryogenic combustion research. 47th Int. Astronaut. Cong., Beijing, 1996, p. 77.

[18] Habiballah M., Orain M., Grisch F., et al. Experimental studies of high-pressure cryogenic flames on the Mascotte facility. Combust. Sс. Tech., 2006, vol. 178, no. 1-3, pp. 101--128. DOI: https://doi.org/10.1080/00102200500294486

[19] Ledoux M., Micci M., Vingert L. Atomization of coaxial-jet injectors. Proc. 2nd Int. Symp. Liquid Rocket Propulsion, 1995, pp. 2-1--2-19.