Горение керосина в потоке с числом Маха M ≤ 2 под действием газодинамических импульсов

Язык труда и переводы:
УДК:
533.6.011
Дата публикации:
16 января 2022, 00:28
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Аннотация:
Численно изучается горение керосина при числе Маха потока М ≤ 2 в расширяющемся канале. Для воспламенения, подаваемого через осевой инжектор топлива и поддержки его горения, применяется дросселирование потока с помощью боковой струи сжатого воздуха. Решаются осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье — Стокса, замыкаемые (k–ε) моделью турбулентности. Горение топлива моделировалось с помощью одной реакции. Исследована возможность формирования околозвукового течения при разной длине секции постоянного сечения канала. Получена циклограмма газодинамических импульсов, применяемых для создания этого режима.
Ключевые слова:
сверхзвуковой поток, околозвуковой режим, дросселирование потока, горение керосина
Основной текст труда

Введение

Исследование фундаментальной проблемы горения в сверхзвуковом потоке вызывает большой интерес, особенно при формировании околозвукового или сверхзвукового режима [1–4]. Последнее обстоятельство связано с необходимостью минимизации потерь полного давления. Для течения в каналах можно отметить два способа решения проблемы: использование детонации [1] и дросселирование потока газодинамическими импульсами, вызывающими воспламенение топлива [2, 3]. Диапазон чисел Маха невозмущенного сверхзвукового потока в данных исследованиях достаточно широк, при этом нижняя граница во многом определяется условиями существования псевдоскачкового режима [4]. Данное исследование посвящено численному моделированию формирования околозвукового потока при горении в сверхзвуковом потоке с М = 1,7 и М = 1,4 при условиях, близких к эксперименту [3]. Методика численного моделирования изложена в [5]. Для числа Маха потока M = 2 наблюдалось хорошее совпадение с экспериментом [6].

Постановка задачи

Для потока с числом M = 1,7 расчеты проведены при давлении и температуре торможения P0 = 0,5 МПа, T0 = 1400 K. Эти параметры потока, а так же геометрия канала соответствуют эксперименту [3]. Инициирование горения керосина изучалось при его подаче через инжектор на оси осесимметричного канала, при разных длинах (30 см, 50 см, 70 см) секции постоянного сечения диаметром 0,05 м. Для числа M = 1,4 рассмотрен канал с длиной секции постоянного сечения 30 см, давление и температура торможения равны P0 = 0,5 МПа и T0 = 1200 K соответственно. В отличие от эксперимента, при численном моделировании использовалась осесимметричная постановка задачи. Использовались осредненные по Рейнольдсу нестационарные уравнения Навье — Стокса, замыкаемые k–ε моделью турбулентности с расширенной трактовкой пристеночных функций. Уровень турбулентности регулировался с помощью ограничителя производства турбулентной энергии. Керосин, поступающий через осевой инжектор, моделировался как газовая фаза; для описания горения применялась упрощенная химическая кинетика из одной брутто-реакции.

Результаты

В эксперименте[3] давление в газогенераторе импульсов, используемых для инициирования горения керосина для числа Маха невозмущенного потока M = 1,7, плавно изменялось от 3,3 МПа до 1 МПа. Максимальная мощность газодинамических импульсов в эксперименте [3], получена в приближении изоэнтропического истечения со скоростью звука для параметров торможения потока 3,3 МПа и 300 К через круглое отверстие диаметром 6 мм. При численном моделировании газодинамические импульсы подавались через кольцевую щель шириной 1,6 мм, при этом давление в газогенераторе сжатого воздуха почти всегда было равным 0,6 МПа. Благодаря фокусировке ударной волны на оси канала, газодинамическое воздействие при численном моделировании было более эффективным, чем через круглое отверстие в эксперименте. Суммарная энергия газодинамических импульсов в расчете меньше за счет уменьшения времени воздействия. Скважность газодинамических импульсов равна 2, как и в [3]. Средняя мощность газодинамического воздействия (66 кДж/с) при численном моделировании с точностью 10% соответствует максимальной мощности самых первых и интенсивных газодинамических импульсов в эксперименте [3]. Показано, что независимо от длины секции постоянного сечения организовать горение в околозвуковом режиме возможно. Суммарная энергия газодинамического воздействия прямо пропорциональна длине секции постоянного сечения. Скорость распространения фронта горения вверх по потоку практически постоянная. Для формирования горения на всей длине секции постоянного сечения длиной 70 см достаточно пакета из 6 газодинамических суммарной длительностью 3 мс, что близко к результатам [7]. Благодаря кольцевой форме щели, в расчетах процесс более стабилен и развивается быстрее, чем в эксперименте [3], где дополнительное импульсное воздействие необходимо для формирования устойчивого горения.

Для числа Маха M = 1,4 в коротком канале создать околозвуковой режим горения реализовать не удается. Ударная волна той же интенсивности, что и при более высоких числах Маха в секции постоянного сечения, вызванная газодинамическим импульсом, приводит к дозвуковому течению даже без горения керосина. При подаче керосина возникает кратковременная вспышка, участок высокотемпературного газа сносится вниз по потоку, горения за фронтом ударной волны нет. Ударная волна, вызванная газодинамическим импульсом, инициирует прямой скачок уплотнения, распространяющийся вверх по потоку.

Выводы

Таким образом, при числе Маха в канале невозмущенного потока М = 1,7 околозвуковой режим горения возможен, при числе М = 1,4 он не реализуется. Суммарная энергия газодинамического воздействия при M = 1,7 прямо пропорциональна длине секции постоянного сечения, при этом средняя мощность газодинамических импульсов в расчетах соответствует мощности самых первых и интенсивных импульсов в эксперименте [3].

Грант
Грант РФФИ № 20-08-00245.
Литература
  1. Frolov S.M., Ivanov V.S. Breakthrough in the Theory of Ramjets // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2021. Vol. 15, no. 2. Pp. 318–325. DOI: http://dx.doi.org/10.1134/S1990793121020184
  2. Tretyakov P.K. Organization of Effective Combustion of Kerosene in a Channel at High Flow Velocities // Combustion explosion and shock waves. 2020. Vol. 56, no. 1. Pp. 36–40. DOI: http://dx.doi.org/10.1134/S0010508220010049
  3. Третьяков П.К., Тупикин А.В., Зудов В.Н. Горение керосина в псевдоскачке при изменении условий на входе в модель камеры сгорания СПВРД // Физика горения и взрыва. 2021. Т. 57, № 6. С. 3–7. DOI: 10.15372/FGV20210601
  4. Картовицкий Л.Л., Левин В.М., Яновский Л.С. Анализ газодинамического сжатия на основе модифицированной модели псевдоскачка Крокко // Труды МАИ. 2020. № 113. 27 c. DOI: http://dx.doi.org/10.34759/trd-2020-113-05
  5. Zamuraev V.P., Kalinina A.P. Control of the supersonic flow structure during ethylene combustion with the use of gas-dynamic pulses // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2021. Vol. 62, no. 1. Pp. 1–10. DOI: http://dx.doi.org/10.1134/S0021894421010016
  6. Zamuraev V. P., Kalinina A. P. Deceleration of a supersonic flow down to transonic speeds using gas-dynamic pulses during combustion of hydrocarbon fuels // AIP Conference Proceedings. 2021. Vol. 2351. No. 1. P. 030050(6). DOI: http://dx.doi.org/10.1063/5.0052907
  7. Surzhikov S.T., Seleznev R.K. Quasi-one-dimensional and two-dimensional numerical simulation of scramjet combustors // 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. 2015. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2015-4166
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.