Компьютерное моделирование процессов распыла и дисперсии капель жидких топлив в камере сгорания | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Аскарова А. С., Болегенова С. А., Болегенова С. А., Оспанова Ш. С., Амангелди А. С., Картанбаев Ж. Ж., Киреев А. К. Компьютерное моделирование процессов распыла и дисперсии капель жидких топлив в камере сгорания // Молодой ученый. — 2016. — №27. — С. 41-46. — URL https://moluch.ru/archive/131/36395/ (дата обращения: 22.07.2018).



В настоящее время, несмотря на прилагаемые усилия по освоению и использованию возобновляемых источников энергии, 85 % всей энергии, потребляемой в мире, получают от сжигания ископаемых видов топлива. Как показывает статистика, 39 % общего энергопотребления приходится на сжигание жидких топлив и 97 % от этого общего производства энергии используется в транспортном секторе. В то время как мы продолжаем пользоваться жидкими топливами, как основным источником энергии, первостепенное значение имеет повышение эффективности и минимизация воздействия на окружающую среду устройств, деятельность которых направлена на сжигание этого вида топлив. Во многих странах мира в последнее время резко возросли требования к качеству топлив с точки зрения их экологической безопасности.

Разработка улучшенных систем преобразования энергии, имеющих более высокую эффективность и низкий уровень выбросов, занимает основное место в сокращении производства парниковых газов. Особенно это касается диоксида углерода (СО2) и этот факт является гарантией того, что в будущем воздушный транспорт не приведет к нежелательному ухудшению озонового слоя стратосферы [1–2].

Необходимость детального исследования физико-химических процессов, протекающих при горении жидких топлив, определена возросшими требованиями к эффективности работы различных технических устройств, точности прогнозирования воспламенения и обусловлена современными экологическими требованиями по охране окружающей среды. Эффективность работы различных технических устройств, в частности, двигателей внутреннего сгорания в значительной степени базируются на результатах фундаментального исследования физико-химических процессов горения.

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. Так как исследование горения невозможно без его детального изучения, то на первый план выходит проблема фундаментального исследования закономерностей процессов тепломассопереноса при сжигании различных видов топлив.

В связи со сказанным выше особое значение и актуальность приобретает интенсификация производства, снижение материалоемкости оборудования, экономное расходование топлива, охрана окружающей среды. Весьма важной является задача создания научных основ интенсивных технологических процессов, обеспечивающих комплексное использование топлива и его отходов, исключающих вредное воздействие производства на биосферу. Новая стратегия охраны природы и энергосбережения предполагает выбор наиболее эффективных достижений научно-технического прогресса. Среди них особо выделяются три основные группы мероприятий: утилизационные, энергетической модернизации, интенсивного энергосбережения.

Большинство течений по природе своей имеют турбулентный характер и состояние турбулентности при движении потока сильно влияет на такие параметры течения, как перенос импульса, температуры и концентрации веществ в смеси.

Данная статья посвящена важному исследованию с точки зрения современной физики горения проблемы численного моделирования распыла и горения жидкого топлива при высокой турбулентности.

Решение задачи о распылении и горении жидкого топлива осуществляется методами численного моделирования с использованием дифференциальных уравнений, описывающих турбулентное течение при наличии химических реакций, и представлены основными уравнениями: неразрывности, движения, внутренней энергии, k-ε модель турбулентности, а так же начальными и граничными условиями [3–6].

Уравнение неразрывности для компоненты реакции m имеет вид:

(1)

где D — коэффициент диффузии, mмассовая плотность жидкой фазы, — полная массовая плотность, – химический источниковый член; — источниковый член вследствие впрыска; uскорость жидкости.

Уравнение неразрывности для жидкости, имеет следующий вид:

.(2)

Уравнение движения для смеси жидкостей:

(3)

где р — давление жидкости,  — безразмерная величина, A0 равно 0 при ламинарном течении и 1 — при турбулентности. Тензор вязких напряжений имеет вид:

(4)

Здесь µ — динамическая вязкость жидкости, — коэффициент вязкости, g — ускорение свободного падения и I — удельная внутренняя энергия.

Уравнение внутренней энергии представлено ниже:

,(5)

где– источниковый член, обусловленный тепловыделением в результате химической реакции и – тепло, которое приносит впрыскиваемое топливо. Вектор теплового потокаJскладывается из электропроводности и переноса энтальпии.

При использовании модели турбулентности (А0=1) решаются уравнения для кинетической энергии турбулентности k и скорости ее диссипации ε :

(6)

(7)

Величина возникает вследствие взаимодействия с распылителем. Константы определяются из эксперимента [6].

В работе была использована модель камеры сгорания в форме цилиндра, высота которой 15 см, диаметр 4 см. Общий вид камеры сгорания представлен на рисунке 1. Расчетная область состоит из 650 ячеек. С помощью сопла, которое располагается в центре нижней части камеры сгорания, впрыскивается жидкое топливо. Площадь форсунки равна 210–4 см2. Температура стенок камеры сгорания 353 К. Начальная температура газа в камере сгорания 900 К, топливо впрыскивается при 300 К. Начальный радиус впрыскиваемых капель 25 мкм. Угол, при котором впрыскиваются капли, равен 100. Давление в камере сгорания составляет 80 бар, скорость впрыска жидкого топлива равна 250 м/с.

graphic_Shinar copy

Рис. 1. Общий вид камеры сгорания

В данной работе были использованы два вида жидких топлив: октан (С8Н8) и додекан (С12Н26). Химические реакции горения этих топлив в камере сгорания представлены ниже:

,

.

Эти реакции приводят к образованию углекислого газа и воды.

На следующих рисунках показаны результаты численного моделирования горения октана и додекана в камере сгорания. На рисунке 2 представлено распределение капель октана и додекана по размерам по высоте камеры в момент времени t=2,5 мс. В момент времени t=2,5 мс капли октана и додекана поднялись на высоту камеры равной 0,62 см и 0,72 см. Анализируя поведение додекана, можно отметить, что размеры его капель чуть больше капель октана. Обращая внимание на распределение октана и додекана по радиусам можно заметить, что капли додекана быстрее испаряются и плотность распределения более высокая. Также со временем размер капель октана растет.

Рис. 2. Распределение капель октана и додекана по радиусам по высоте камеры сгорания в момент времени t=2,5 мс

На рисунке 3 показаны поля температуры в камере сгорания при горении октана и додекана в момент времени 2,5 мс. Эти графики свидетельствует о том, что при горении октана большая часть камеры прогревается до 987,192 К, а при горении додекана в камере дольше всего держится значение температуры равное 1003,05 К. В момент времени t=2,5 мс в ядре температурного факела при горении октана температура достигает значения 2687,32 К. При горении додекана максимальная температура составила 2679,87 К, а температура всей камеры, кроме зоны факела, достигает 1003,05 К. Для двух рассматриваемых видов топлив (октан и додекан) при распределении температур наблюдается следующая картина: область, охватываемая максимальной температурой, при горении обоих топлив в различные моменты времени почти одинаковая, но по сравнению с октаном весь объем камеры при сжигании додекана быстрее прогревается до высоких значений температуры. Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что процесс горения октана и додекана происходит в газовой фазе, и по всему объему камеры сгорания наблюдается равномерное распределение температуры.

Рис. 3. Профиль температуры в камере сгорания при горении октана и додекана в момент времени t=2,5 мс

На следующем рисунке 4 представлены поля концентрации обоих видов топлив в момент времени 2,5 мс. При сравнении октана и додекана можно увидеть, что пары обоих видов топлив поднимаются на различные высоты. К примеру, в момент времени t=2,5 мс пары октана поднимаются на высоту камеры 2,3 мс, а пары додекана в это же время находятся на высоте 2,6 см.

Рис. 4. Распределение паров октана и додекана по высоте камеры сгорания в момент времени 2,5 мс

Таким образом, по полученным результатам по горению двух видов жидких топлив можно сделать заключение:

– капли октана и додекана поднимаются на различные высоты, но имеют почти одинаковые размеры;

– при горении обоих видов топлив температура в камере сгорания достигает максимальных значений, но при горении октана в большей части камеры сгорания сохраняется меньшая температура, чем при горении додекана;

– концентрации паров топлив (октан и додекан) в начальные моменты времени имеют почти одинаковые значения, но с течением времени достигают максимальных значений по всему объему камеры.

Литература:

  1. Askarova A., Bolegenova S., Bekmukhamet A., Ospanova Sh., Gabitova Z. Using 3D modeling technology for investigation of conventional combustion mode of BKZ-420–140–7C combustion chamber // Journal of Engineering and Applied Sciences. — 2014. — Vol.1, № 9. — P. 24–28.
  2. Askarova, A. S., Karpenko, E. I., Messerle, V. E., Ustimenko, A. B. Mathematical modelling of the processes of solid fuel ignition and combustion at combustors of the power boilers // 7th International Fall Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics. — Xian, 2007. — Vol. 7. — P. 672–683.
  3. Askarova, A.S., Ustimenko, A. B., Bolegenova, S. A., Maksimov, V. Yu. Numerical simulation of the coal combustion process initiated by a plasma source // Thermophysics and aeromechanics. — 2014. — Vol 21, issue 6. — P. 747–754.
  4. Bolegenova, S.A., Maximov, V.Y., Bekmukhamet, A, Beketayeva, M.T.Gabitova, ZK., et al. Computational method for investigation of solid fuel combustion in combustion chambers of a heat power plant // High temperature. — 2015. — Vol. 5, issue 5. — P. 751–757.
  5. Amsden A. A., O'Rourke P. J., Butler, T. D. KIVA-II: A computer program for chemically reactive flows with sprays. — Los Alamos, 1989. — 160 с.
  6. Amsden D. C., Amsden A. A., The KIVA Story: A Paradigm of Technology Transfer // IEEE Transactions on Professional Communication Journal. -1993. — Vol.36, № 4. — P. 190–195.
Основные термины (генерируются автоматически): момент времени, камера сгорания, вид топлив, жидкое топливо, горение октана, горение, высота камеры, топливо, источниковый член, внутренняя энергия.


Похожие статьи

Физическая постановка горения пылеугольного факела в камерах...

Горение пылеугольного топлива втопочной камере сгорания реального энергетического объекта: котелБКЗ-160. В течениях с химическими реакциями для улучшения стабилизации высокоинтенсивных процессов горения и при организации эффективного чистого сгорания во...

К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего...

природный газ, смесь, топливо, диффузия водорода, температура кипения, жидкий водород, термическое расширение, борт автомобиля, доля угля, камера сгорания.

Обзор особенностей работы камер сгорания ПВРД

Конструкция камер сгорания может быть различной. Один из вариантов камеры сгорания ПВРД, работающих при MН= 2,0–2,5 приведен на рис.1. [1].

- устойчивость горения топливо-воздушной смеси во всем диапазоне рабочих режимов.

Обзор неисправностей, возникающих при эксплуатации двигателя...

...возникающих при эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве топлива компримированный природный газ.

а) Разрыв мембраны камеры высокого давления газового редуктора. Газовый редуктор для топливной системы КамАЗ 820.61–260...

Технология сжигания твердых бытовых отходов

Такая печь состоит из двух камер сгорания: нижней камеры сжигания ТБО и, соответственно, верхней камеры дожига генераторных газов.

Через дверь происходит загрузка топлива (ТБО) в камеру генерации, где происходит горение при температуре 400–600оС

Обзор применения водно-топливных эмульсий в ДВС

Дизельное топливо, поступая в камеру сгорания, распыляется форсункой.

При этом суммарная скорость и полнота сгорания в цилиндре двигателя вязких топлив в виде ВТЭ становится примерно равной скорости сгорания легких дизельных топлив.

Преимущества и недостатки основных видов топлива автомобиля

В двигателе внутреннего сгорания камерой сгорания является цилиндр, где химическая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью...

Анализ горючих материалов двигателя внутреннего сгорания

Поиском альтернативного вида топлива уже интересуются многие в особенности, предприятия, которые используют много механизированной энергии.

Свеча зажигания как основная часть системы зажигания двигателя внутреннего сгорания.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Физическая постановка горения пылеугольного факела в камерах...

Горение пылеугольного топлива втопочной камере сгорания реального энергетического объекта: котелБКЗ-160. В течениях с химическими реакциями для улучшения стабилизации высокоинтенсивных процессов горения и при организации эффективного чистого сгорания во...

К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего...

природный газ, смесь, топливо, диффузия водорода, температура кипения, жидкий водород, термическое расширение, борт автомобиля, доля угля, камера сгорания.

Обзор особенностей работы камер сгорания ПВРД

Конструкция камер сгорания может быть различной. Один из вариантов камеры сгорания ПВРД, работающих при MН= 2,0–2,5 приведен на рис.1. [1].

- устойчивость горения топливо-воздушной смеси во всем диапазоне рабочих режимов.

Обзор неисправностей, возникающих при эксплуатации двигателя...

...возникающих при эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве топлива компримированный природный газ.

а) Разрыв мембраны камеры высокого давления газового редуктора. Газовый редуктор для топливной системы КамАЗ 820.61–260...

Технология сжигания твердых бытовых отходов

Такая печь состоит из двух камер сгорания: нижней камеры сжигания ТБО и, соответственно, верхней камеры дожига генераторных газов.

Через дверь происходит загрузка топлива (ТБО) в камеру генерации, где происходит горение при температуре 400–600оС

Обзор применения водно-топливных эмульсий в ДВС

Дизельное топливо, поступая в камеру сгорания, распыляется форсункой.

При этом суммарная скорость и полнота сгорания в цилиндре двигателя вязких топлив в виде ВТЭ становится примерно равной скорости сгорания легких дизельных топлив.

Преимущества и недостатки основных видов топлива автомобиля

В двигателе внутреннего сгорания камерой сгорания является цилиндр, где химическая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью...

Анализ горючих материалов двигателя внутреннего сгорания

Поиском альтернативного вида топлива уже интересуются многие в особенности, предприятия, которые используют много механизированной энергии.

Свеча зажигания как основная часть системы зажигания двигателя внутреннего сгорания.

Задать вопрос