В статье проведено исследование, посвященное оценке влияния впрыскиваемой массы жидкого топлива на процесс горения топлива на основе решения дифференциальных уравнений турбулентного реагирующего течения. Получено распределение температуры капель жидкого топлива, концентрации углекислого газа и сажи при горении топлива с различными начальными массами. В работе использована глобальная модель химических реакций, учитывающая образование сажи при горении жидких топлив.
Ключевые слова: жидкое топливо, камера сгорания, тридекан, сажа, CO 2 .
Одним из наиболее эффективных способов снижения воздействия человека на окружающую среду является повышение энергоэффективности. На самом деле современная энергетика, основанная прежде всего на использовании ископаемого топлива, оказывает существенное влияние на окружающую среду. От добычи, переработки и транспортировки энергоресурсов до сжигания их для получения тепла и электроэнергии — все это негативно влияет на экологический баланс планеты. В настоящее время статистика показывает, что 40 % общего потребления энергии приходится на жидкое топливо, а более 90 % производства энергии приходится на транспортный сектор. Использование жидких топлив в качестве основного источника энергии обуславливает необходимость акцентировать внимание на повышении эффективности устройств, основанных на сжигании этих видов топлива, и снижении их вредного воздействия. Одной из главных задач сейчас является сокращение количества вредных отходов, образующихся при сжигании жидких топлив, и организация более эффективных способов сжигания жидких топлив [1–2].
В данной статье мы рассмотрим процесс горения жидкого топлива с начальной массой от 5 до 20 мг, в качестве жидкого топлива выбран — тридекан (C 13 H 28 ).
Процесс горения жидких топлив рассматривается в модельной камере сгорания с форсункой, расположенной по центру нижней части камеры, через которую в поток окислителя подается основная часть расхода жидкого топлива. Камера имеет конструкцию цилиндра высотой 15 см и радиусом 2 см. Количество контрольных ячеек — 600. Температура стенок камеры сгорания составляет 353 К. Площадь сопла инжектора составляет 2*10 см 2 .
Анализируя результаты численных экспериментов по изучению влияния массы впрыска на процесс горения топлива, следует отметить, что в диапазоне заданной массы топлива температура капель жидкого топлива находится в интервале от 650 К до 660 К без существенных изменений.
На рис.1а показана зависимость концентрации углекислого газа, образующегося в результате горения тридекана, от массы впрыскиваемого топлива. Как видно из рисунка, увеличение массы жидкого топлива приводит к увеличению концентрации СО 2 , а значит, для организации эффективного процесса горения масса топлива не должна быть достаточно высокой.
На следующем графике (рис. 1б) изображена зависимость концентрации сажи, образующейся в результате процесса горения, от массы топлива. Из этого рисунка видно, что, как и в случае распределения концентрации СО 2 , концентрация сажи увеличивается по мере увеличения массы впрыска. Изначально было замечено, что концентрация сажи, образовавшейся до значения массы впрыска, равного 9 мг, имела нормальное малое значение, а в дальнейшем значение концентрации сажи, образующейся вследствие увеличения массы, возрастало на все большее значение.
a) б)
Рис. 1. График зависимости концентраций СО 2 (а) и сажи (б), образующихся в результате горения жидкого топлива, от массы впрыскиваемого топлива
На основе вычислительных экспериментов по оценке влияния начальной массы топлива на процесс горения жидкого топлива в камере сгорания получены следующие результаты.
— распределение концентрации углекислого газа показало, что увеличение массы жидкого топлива, как и ожидалось, приводит к увеличению концентрации СО 2 , выделяемого в результате процесса горения.
— концентрация сажи, выделяющейся в массе жидкого топлива до 9 мг, имеет стабильно малые значения, в дальнейшем при увеличении массы наблюдается более высокий прирост концентрации сажи, поэтому для организации эффективного процесса горения важно меньшее количество массы распыляемого топлива.
Литература:
1. Аскарова А. С. и др. Компьютерное моделирование процессов распыла и дисперсии капель жидких топлив в камере сгорания //Молодой ученый. — 2016. — №. 27. — С. 41–46.
2. 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.
3. Amsden, A.A., O'Kourke, P.J., Butler, T. D. KIVA-II: A computer program for chemically reactive flows with sprays
4. Аскарова, А.С., Волошина, И.Э., Рыспаева, М. Ж. Влияние массы на моделирование процесса горения впрыска жидкого топлива // Вестник КазНУ, серия физическая. — 2007. — № 1 (23). — С.68–72.
