ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ЖИДКИХ ТОПЛИВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ СКОРОСТИ

Аскарова Алия Сандыбаевна

д-р физ.-мат. наук, профессор, кафедра Теплофизики и технической физики, Казахский национальный университет имени аль-Фараби, г. Алматы

Болегенова Салтанат Алихановна

д-р физ.-мат. наук, профессор, кафедра Теплофизики и технической физики, Казахский национальный университет имени аль-Фараби, г. Алматы

Мукашева Гаухар Канатовна

магистрант, Казахский национальный университет

имени аль-Фараби, г. Алматы

E-mail: gauhar.010789@mail.ru

Рахимбаева Назгуль Бахитовна

магистрант, Казахский национальный университет

имени аль-Фараби, г. Алматы

E-mail: Nazka.90.90@mail.ru

Моделирование образования дисперсии неизотермических впрысков жидких топлив в развитой турбулентности является актуальным в связи с широким использованием распыленного жидкого топлива (автомобильного, авиационного, дизельного и ракетного) в различных двигателях.

К жидким топливам относятся: нефть, бензин, керосин, солярка, жидкий водород, гептил и др. При горении жидких топлив может быть выделено несколько его стадий. На первой стадии происходит впрыск топлива в камеру сгорания через форсунку с распылением на мелкие капли. Затем происходит испарение капель и смешение их с окислителем, после чего происходит воспламенение и горение топливовоздушной смеси. Первая часть процесса — распыление топлива — во многом определяет эффективность последующего горения, чем меньше капля, тем быстрее происходит испарение, смешение с окислителем и воспламенение. В дизельных двигателях жидкость подается через малые отверстия под действием очень высокого давления, за счет этого происходит распыление топлива — жидкость распадается на тонкие пленки и нити, которые затем принимают капельную форму. В ракетных двигателях распыление часто осуществляют столкновением струй. Это дает возможность подать большое количество топлива в камеру сгорания [2].

Горение жидких топлив отличается рядом специфических особенностей, обусловленных протеканием химических реакций в условиях динамического и теплового взаимодействия реагентов, интенсивного массопереноса при фазовых превращениях, а также зависимостью параметров процесса, как от термодинамического состояния системы, так и от ее структурных характеристик. Многообразие и сложность указанных факторов создают известные трудности при разработке полноценной теории. Существенные результаты в этом направлении могут быть получены на основе последовательного приложения методов механики гетерогенных систем к описанию процессов горения двухфазных сред.

Целью работы является изучение влияния скорости впрыска жидкого топлива на его горение с помощью численного моделирования на основе решения дифференциальных двумерных уравнений турбулентного реагирующего течения. Скорость впрыска жидкого топлива менялась от 150 до 350 м/с.

Ниже приведены результаты численного моделирования по горению впрысков жидких топлив для оптимальных масс и скоростей впрыска и температуры газа в камере сгорания. Рисунок 5 показывает дисперсию и распределение температур капель для трех топлив в камере сгорания при оптимальных массах и скоростей впрыска и температурах газа. На рисунках 1—4 приведены графики изменения со временем (1,1 мс, 1,8 мс, 3 мс, 4 мс) температуры и концентрации паров топлива в камере сгорания при сжигании бензина. Данные получены для оптимальных параметров этого вида топлива [1].

Анализ рисунка 2 показывает изменение температуры в камере сгорания для бензина. Можно заметить, что область максимальных температур (ядро факела) достигает 6,5 см по высоте камеры сгорания, вся остальная часть камеры разогревается до 1300 К.

На следующем рисунке 3 можно наблюдать, как меняется концентрация паров бензина с течением времени: от максимального значения в области до 4 см по высоте камеры сгорания до нуля в конечный момент времени.

а)                           б)                                           в)

Рисунок 1. Капли жидких топлив при оптимальных параметрах: а) бензин, б) гептан, в) тетрадекан

       а)             б)                в)                   г)

Рисунок 2. Температура в камере сгорания при горении бензина в моменты времени: а) 1,1 мс; б) 1,8 мс; в) 3 мс; г) 4 мс

Рисунок 3. Распределение паров топлива в камере сгорания
при горении бензина в моменты времени: а) 1,1 мс; б) 1,8 мс; в) 3 мс; г) 4 мс

На рисунках 4—7 приведены результаты численных экспериментов по горению гептана и тетрадекана. Результаты для этих топлив аналогичны результатам для бензина в качественном отношении, различаясь количественно. Анализ рисунка 4 показывает, что максимальная температура в камере сгорания при горении гептана равна 1300 К в момент времени 4 мс. Остальная часть камеры сохраняет первоначальное значение температуры 900 К.

На рисунке 5 представлено распределение паров гептана в различные моменты времени. В конечный момент времени для оптимальных параметров концентрация топлива в камере сгорания практически равна нулю.

На рисунках 6—7 представлены результаты численного моделирования горения тетрадекана для оптимальной массы и скорости впрыска тетрадекана и начальной температуры в камере сгорания. Анализ рисунка 6 показывает, что наибольшее значение, до которого прогревается камера сгорания, равно 2022 К, при этом температурный факел расположен выше, чем для гептана (рисунок 4). В камере температура в конечный момент времени 4 мс равна 1200 К.

Из рисунка 7 видно, что в момент времени 4 мс концентрация паров тетрадекана равна нулю, поскольку к этому моменту времени топливо полностью прореагировало с окислителем и в результате этой реакции образовались углекислый газ СО₂ и вода Н₂О.

Рисунок 4. Температура в камере сгорания при горении гептана в моменты времени: а) 1,1 мс; б) 1,8 мс; в) 3 мс; г) 4 мс

Рисунок 5. Распределение паров топлива в камере сгорания при горении гептана в моменты времени: а) 1,1 мс; б) 1,8 мс; в) 3 мс; г) 4 мс

Рисунок 6. Температура в камере сгорания
при горении тетрадекана в моменты времени: а) 1,1 мс; б) 1,8 мс; в) 3 мс; г) 4 мс

Рисунок 7. Распределение паров топлива в камере сгорания
при горении тетрадекана в моменты времени: а) 1,1 мс; б) 1,8 мс; в) 3 мс; г) 4 мс

Список литературы:

1.Аскарова, А.С., Гороховски, М.А., Локтионова, И.В., Рыспаева, М.Ж. Горение жидких топлив в камере сгорания // Известия НАН РК, серия физико-математическая. — 2006. — № 3. — С. 15—20.

2.Ярин, Л.П., Сухов, Г.С. Основы теории горения двухфазных сред. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. — 240 с.