Исследование влияния вынужденных акустических колебаний на окисление метана в канале постоянного сечения энергосиловой установки

Авторы

Арефьев К. Ю.^1*, Крикунова А. И.¹, Гришин И. М.¹, Минко А. В.¹, Ильченко М. А.², Заикин С. В.²

1. Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), МФТИ, Институтский пер., 9, Долгопрудный, Московская облаcть, 141701, Россия
2. Центральный институт авиационного моторостроения имени П. И. Баранова, Москва, Россия

*e-mail: arefyev.kj@mipt.ru

Аннотация

Представлены результаты расчетно-экспериментального исследования акустической интенсификации процессов окисления метана в высокоэнтальпийном кислородсодержащем (по составу максимально приближенному к воздуху) потоке. Исследования проведены для конечного по длине канала постоянного сечения. Рассмотрен диапазон начальных удельных энтальпий кислородсодержащего потока от 1600 до 2400 кДж/кг. Выявлены закономерности влияния полной энтальпии кислородсодержащего потока и акустического воздействия на эффективность (с точки зрения завершенности химических реакций) окисления метана. Установлено влияние частоты акустического воздействия на коэффициент завершенности физико-химических процессов. Определены значения коэффициента избытка топлива для различных полных энтальпий кислородсодержащего потока, соответствующие диффузионному и кинетическому режимам окисления метана. Проведен анализ спектральных характеристик пульсаций статического давления в потоке, по результатам которого отмечена стабильность окисления метана на исследованных режимах.

Ключевые слова:

окисление метана, кислородсодержащий поток, акустическое воздействие, диффузионный режим окисления, кинетический режим окисления, завершенность химических реакций

Библиографический список

1. Калугин К.С., Сухов А.В. Особенности использования метана в качестве горючего для жидкостных ракетных двигателей // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 4. С. 120–132.
2. Бакланов А.В. Применение многопламенного горения в камере сгорания для повышения эффективности сжигания газа // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 2. С. 88–94. DOI: 10.34759/vst-2022-2-88-94
3. Зубрилин И.А., Диденко А.А., Дмитриев Д.Н., Гураков Н.И., Эрнандэс Моралес М. Влияние процесса горения на структуру закрученного потока за горелочным устройством камеры сгорания газотурбинной установки // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 3. С. 124–136.
4. Воронецкий А.В., Макаров Д.В., Скибин А.П. и др. Расчет процессов горения и охлаждения в малогабаритной камере сгорания // Математическое моделирование. 1999. Т. 11. № 4. С. 29–36.
5. Аверьков И.С., Александров В.Ю., Арефьев К.Ю. и др. Влияние полноты сгорания топлива на характеристики прямоточных воздушно-реактивных двигателей // Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54. № 6. С. 939–949. DOI: 10.7868/S0040364416050045
6. Бартльме Ф. Газодинамика горения / Перевод с нем. А.В. Куршакова. – М.: Энергоиздат, 1981. – 278 с.
7. Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М., Котовский В.Н. Теория авиационных двигателей. В 2х частях: Учебник. – М.: Изд-во ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006. – (366 + 448) с.
8. Албегов Р.В., Виноградов В.А., Шихман Ю.М. Горение метана при различных схемах впрыска в воздушный поток с большими дозвуковыми скоростями // Физика горения и взрыва. 2016. Т. 52. № 1. С. 18–29. DOI: 10.1134/S0010508216010020
9. Arefyev K.Yu., Krikunova A.I., Panov V.A. Complex Effect of Electric and Acoustic Fields on Air-methane Flame Blow-off Characteristics // High Temperature. 2019. Vol. 57. No. 6, pp. 909–915. DOI: 10.1134/S0018151X19060026
10. Yu M., Zheng K., Zheng L. et al. Effects of hydrogen addition on propagation characteristics of premixed methane/air flames // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2015, vol. 34, pp. 1-9. 
11. Grishin I., Zakharov V., Aref’ev K. Experimental Study of Methane Combustion Efficiency in a High-Enthalpy Oxygen-Containing Flow // Applied Sciences. 2022. Vol. 12. No. 2: 899. DOI: 10.3390/app12020899
12. Арефьев К.Ю., Кукшинов Н.В., Серпинский О.С. Методика экспериментального определения полноты сгорания потоков топливной смеси в каналах переменного сечения // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2017. № 5. С. 90–102. DOI: 10.7868/S0568528117050103
13. Аннушкин М.Ю. Основные закономерности выгорания турбулентных струй водорода в воздушных каналах // Физика горения и взрыва. 1981. № 4. С. 59–71.
14. Бекетаева А.О., Найманова А.Ж. Численное исследование пространственного сверхзвукового течения совершенного газа при наличии поперечного вдува струи // Прикладная механика и техническая физика. 2011. Т. 52. № 6(310). С. 58–68.
15. Langtry R.B., Menter F.R. Correlation-Based Transition Modeling for Unstructured Parallelized Computational Fluid Dynamics Codes // AIAA Journal. 2009. Vol. 47. No. 12, pp. 2894–2906. DOI: 10.2514/1.42362
16. Захаров В.С., Гуськов О.В., Прохоров А.Н., Бережной В.Н. Расчетно-экспериментальные исследования влияния формы сверхзвуковой части сопла на структуру течения в газодинамическом тракте модельного высотного стенда // Теплофизика и аэромеханика. 2021. № 2. С. 165–186.
17. Liou M.-S. A sequel to AUSM, Part II: AUSM+-up for all speeds // Journal of Computational Physics. 2006. Vol. 214. No. 1, pp. 137-170. DOI: 10.1016/j.jcp.2005.09.020
18. Luan Y.-T., Chyou Y.-P., Wang T. Numerical Analysis of Gasification Perfomance via Finite-Rate Model in a Cross-Type Two-Stage Gasifier // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2013. Vol. 57. No. 2, pp. 558-566.  DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.10.026
19. Xu C., Gao Y., Ren Z., Lu T. A Sparse Stiff Chemistry Solver Based on Dynamic Adaptive Integration for Efficient Combustion Simulation // Combustion and Flame. 2016. Vol. 172, pp. 183-193. DOI: 10.1016/J.COMBUSTFLAME.2016.07.009
20. Арефьев К.Ю., Воронецкий А.В., Ильченко М.А., Сучков С.А. Расчетно-экспериментальное исследование воспламенения двухфазной топливной композиции воздух + этанол в резонансной газодинамической системе // Физика горения и взрыва. 2017. Т. 53. № 4. С. 34–42.