Численное моделирование эмиссии CO камеры сгорания ГТУ НК-38СТ в зависимости от температуры окружающей среды

Аннотация

Сформирована физикo-математическая модель для расчета эмиссии оксида углерода. Проведено математическое моделирование турбулентного горения метана с воздухом при разных температурах окружающей среды в камере сгорания газотурбинной установки двигателя НК-38СТ в стационарном трехмерном приближении средствами пакета вычислительной гидрогазодинамики Ansys Fluent. Выполнено сравнение результатов моделирования эмиссии оксида углерода, полученных с привлечением различных химических механизмов, с данными экспериментов. Численные результаты по эмиссии оксида углерода, показывающие корректные значения в широком диапазоне температур окружающей среды, получены для модели горения FiniteRate c кинетическим механизмом GRI-Mesh 3.0. Максимальная погрешность при низких температурах не превышает 4 %. По данным из литературных источников, результаты прогнозирования эмиссии оксида углерода и распределения температурных полей неудовлетворительны: погрешность по эмиссии составляет более 27 %. Глобальный обобщенный двухступенчатый кинетический механизм метан + + воздух, встроенный в пакет Ansys Fluent, корректно определяет температурные поля, но прогнозирует эмиссионные характеристики при отрицательных температурах окружающей среды с погрешностью 92 %. Быстрый и качественный прогноз по эмиссии оксида углерода при численном моделировании заключается в создании новых редуцированных механизмов для узких диапазонов изменения температур окружающей среды

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Тихонов О.А., Сабирзянов А.Н., Бакланов А.В. Численное моделирование эмиссии CO камеры сгорания ГТУ НК-38СТ в зависимости от температуры окружающей среды. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2024, № 3 (150), c. 19--33. EDN: ULJBBC

Литература

[1] Комаров Е.М., Кокуева Ж.М. Повышение эффективности газоперекачивающих агрегатов: проблемы и решения. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2019, № 5 (128), с. 104--118. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2019-5-104-118

[2] Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. М., ФИЗМАТЛИТ, 2003.

[3] Куценко Ю.Г. Численные методы оценки эмиссионных характеристик камер сгорания газотурбинных двигателей. Екатеринбург, Пермь, УрО РАН, 2006.

[4] Сабирзянов А.Н., Явкин В.Б., Александров Ю.Б. и др. Моделирование эмиссионных характеристик камер сгорания ГТД. Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2014, № 2, с. 62--70. EDN: STWMKN

[5] Лавров В.Н., Постников А.М., Цибизов Ю.И. и др. Разработка системы низкоэмиссионного горения топлива в газотурбинных установках. Вестник СГАУ им. С.П. Королёва, 2007, № 2, с. 118--127. EDN: IRGGUH

[6] Козлов В.Е., Старик А.М., Титова Н.С. и др. О механизмах образования экологически опасных соединений в гомогенных камерах сгорания. Физика горения и взрыва, 2013, т. 49, № 5, с. 17--33. EDN: RBUETD

[7] Нгуен Т.Х. Применение улучшенной модели системы химических реакторов для предсказания эмиссии оксидов азота при горении бедной смеси в газотурбинной камере сгорания. Физика горения и взрыва, 2019, т. 55, № 3, с. 27--34. DOI: https://doi.org/10.15372/FGV20190303

[8] Захаров В.М., Козлов В.Е., Лебедев А.Б. и др. Разработка реакторных моделей диффузионной камеры сгорания для сравнительного анализа детальных и редуцированных кинетических схем горения углеводородных топлив. Физика горения и взрыва,2009, т. 45, № 2, с. 20--28. EDN: KBAUGR

[9] Гольцев В.Ф., Щепин С.А. Анализ модели тонкого фронта пламени при расчете эмиссии вредных веществ камерами сгорания. ТВТ, 2016, т. 54, № 4, с. 569--575. DOI: https://doi.org/10.7868/S0040364416040074

[10] Мингазов Б.Г., Явкин В.Б., Сабирзянов А.Н. и др. Анализ применимости моделей горения для расчета многофорсуночной камеры сгорания ГТД. Вестник СГАУ им. С.П. Королёва, 2011, № 5, с. 208--214. EDN: OXZWSH

[11] Снегирёв А.Ю., Фролов А.С. Расчет турбулентного диффузионного пламени методом крупных вихрей. ТВТ, 2011, т. 49, № 5, с. 713--727. EDN: OFAGEP

[12] Metcalfe W.K., Burke S.M., Ahmed S.S., et al. A hierarchical and comparative kinetic modeling study of С₁-С₂ hydrocarbon and oxygenated fuels. Int. J. Chem. Kinet., 2013, vol. 45, no. 2, pp. 638--675. DOI: https://doi.org/10.1002/kin.20802

[13] Li Y., Zhou C.-W., Somers K.P., et al. The oxidation of 2-butene: A high pressure ignition delay, kinetic modeling study and reactivity comparison with isobutene and 1-butene. Proc. Combust. Inst., 2017, vol. 36, no. 1, pp. 403--411. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proci.2016.05.052

[14] Zhou C.-W., Li Y., Burke U., et al. An experimental and chemical kinetic modeling study of 1,3-butadiene combustion: ignition delay time and laminar flame speed mea-surements. Combust. Flame, 2018, vol. 197, pp. 423--438. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.08.006

[15] Egolfopolous F.N., Cho P., Law C.K. Laminar flame speeds of methane-air mixtures under reduced and elevated pressures. Combust. Flame, 1989, vol. 76, no. 3-4, pp. 375--391. DOI: https://doi.org/10.1016/0010-2180(89)90119-3

[16] Zettervall N., Fureby C., Nilsson E.J.K. Evaluation of chemical kinetic mechanisms for methane combustion: a review from a CFD perspective. Fuels, 2021, vol. 2, no. 2, pp. 210--240. DOI: https://doi.org/10.3390/fuels2020013

[17] Peters T. Numerical modeling of turbulence natural-gas diffusion flames. Phd thesis. Delft, Delft TU, 1995.

[18] Козлов В.Е., Лебедев А.Б., Секундов А.Н. и др. Моделирование скорости турбулентного гомогенного горения на основе "квазиламинарного" подхода. ТВТ, 2009, т. 47, № 6, с. 946--953. EDN: KYGDWT

[19] Smooke M.D. Reduced kinetic mechanisms and asymptotic approximations for methane-air flames. Berlin, Springer-Verlag, 1991.

[20] Бакланов А.В. Обеспечение эффективности сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания газотурбинной установки при различных климатических условиях. Вестник МАИ, 2022, т. 29, № 1, с. 144--155. DOI: https://doi.org/10.34759/vst-2022-1-144-155